충전 불균형이 배터리 수명 단축…연구재단, 새 원인 규명

인하대 김민규 교수팀, 미시적인 상호작용과 열화 메커니즘 밝혀

특정 입자에 내부전류 집중 시 배터리 수명 단축, 국제학술지 발표

[대전=뉴시스] 인하대 김민규 교수팀이 지속적인 리튬이온 전이현상이 특정 입자의 계면 열화와 암염상 표면 재구성을 촉진해 배터리 수명 감소(열화)를 가속화하는 원인임을 규명했다.(사진=인하대 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 배터리 수명을 갉아먹는 새로운 원인을 밝혀냈다

한국연구재단은 인하대학교 김민규 교수팀이 배터리 전극 내부에서 입자마다 충전상태가 달라지면 외부 충전이 끝난 뒤에도 리튬이온이 이동하고 이 과정에서 특정 입자에 내부전류가 집중돼 배터리 수명을 단축시키는 새로운 열화 메커니즘을 규명했다고 14일 밝혔다.

그동안 배터리 열화 연구는 개별 양극 입자의 균열이나 결정구조 변화, 전해질과의 부반응 등 단일 소재와 입자의 안정성에 주로 초점이 맞춰졌다. 실제 전극은 크기와 반응 특성이 다른 수많은 입자가 연결된 복합체여서 입자 간 상호작용이 수명에 미치는 영향은 충분히 규명되지 않고 있다.

이번에 연구팀은 동일한 고니켈 NCM811 양극 소재를 사용하면서 크기와 반응 특성이 다른 두 종류의 입자를 여러 비율로 혼합해 복합전극을 제작했다. 이후 자체 개발한 반응 분해 분석(RDA) 플랫폼과 방사광 기반 마이크로 X선 회절 매핑, 투과 X선 현미경 등을 활용해 전극과 개별 입자의 반응을 추적했다.

분석 결과, 충전과정에서 반응속도가 빠른 입자는 먼저 높은 충전상태에 도달하고 느린 입자는 상대적으로 낮은 상태에 머무르는 '충전상태 불일치'가 발생했다.

특히 외부 충전 전류를 중단한 뒤에도 낮은 충전상태의 입자에서 높은 입자로 리튬이온이 이동하며 두 입자군의 상태를 맞추는 현상이 나타났다. 외부에서는 전류가 흐르지 않는 휴지 상태에서도 전극 내부에서는 국부적인 전기화학 반응이 지속되기 때문이다.

연구팀은 "문제는 입자 혼합 비율이 불균형할 경우로, 한쪽 입자군의 비율이 낮으면 충전상태를 맞추기 위한 내부전류가 소수 입자에 집중됐고 해당 입자에서 반복적인 추가 반응과 국부적 열화가 발생했다"고 설명했다.

연구팀은 X선분석 등을 통해 내부전류가 집중된 입자에서 전해질과의 부반응으로 표면 피막이 두꺼워지고 리튬이온이 이동할 수 있는 층상결정구조가 전기화학적으로 불활성한 암염상 구조로 변하는 현상을 확인했다. 이 같은 변화가 리튬이온 이동을 방해하고 전극 저항을 높여 배터리 성능 저하를 가속하는 것으로 나타났다.

연구팀은 이를 토대로 ▲충전 중 반응속도가 다른 입자 사이에 충전상태 차이 형성 ▲외부 충전 종료 후 리튬 재분배 ▲혼합 비율 불균형 시 내부전류 소수 입자에 집중 ▲반복적인 추가 반응이 특정 입자의 표면 및 결정구조 열화 촉진 등을 새로운 열화 경로로 제시했다.

과학기술정보통신부와 연구재단의 나노·소재기술개발사업 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 에너지 소재 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 지난달 30일 온라인 게재됐다.

김민규 교수는 "우수한 소재라도 전극 안에서 다른 입자들과 반응 속도가 맞지 않으면 특정 입자가 선택적으로 망가질 수 있다"며 "전극을 구성하는 모든 입자가 균일하고 동기화된 방식으로 반응하도록 설계하는 것이 고용량·장수명 배터리 개발의 핵심 기준이 될 것"이라고 말했다.


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