전기자동차, 배터리 성능 저해하는 '원인' 찾았다
전기자동차, 배터리 성능 저해하는 '원인' 찾았다
  • 강지희
  • 승인 2019.12.04 12:05
  • 조회수 1339
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전기자동차, 배터리까지 속속히 밝혀주마. 출처: pixabay
전기자동차, 배터리까지 속속히 파헤쳐주마. 출처: pixabay

전기자동차용 리튬이온배터리는 급속한 배터리 사용 시 전극 소재가 변형되고 전기화학 성능이 저하되는 문제점이 발생합니다. 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 장원영 박사와 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 이를 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다고 합니다.

 

연구진은 성능 저하로 이어지는 전극 내부구조에서 일어나는 미세한 초기변화를 다양한 범위에서 한눈에 확인할 수 있는 전지 소재의 성능 저하 분석 플랫폼을 확립했습니다. 뿐만 아니라 연구팀은 전지 소재의 성능 저하 메커니즘을 규명했다고 합니다. 해당 연구 논문은 <Angewandte Chemi>에 게재됐습니다. 

 

전기자동차 시장 확대 되려면 전지성능↑, 수명↑

 

최근 전기자동차가 주목받습니다. 덩달아 동력원인 리튬이온전지의 우수한 성능 및 수명을 유지하는 방식에도 관심이 쏠리고 있죠. 즉, 전지의 성능(에너지 밀도) 저하가 없는 고출력 장수명의 전지를 개발하는 것이 핵심입니다. 전기자동차용 리튬이온전지는 기존의 소형 리튬이온전지와는 다르게 급가속 등 고출력이 필요한 상황에서도 문제없이 사용이 가능해야합니다.

 

고출력으로 리튬이온전지를 사용하게 되면 전지가 급속도로 방전되는데요. 이렇게 급속하게 충전 및 방전되는 조건에서는 완속 충·방전 시에 얻을 수 있는 전지의 용량보다 훨씬 줄어들게 됩니다. 이러한 고출력의 충·방전의 반복은 결국 리튬전지의 수명을 크게 감소시킵니다. 이는 전기자동차의 시장 확대에 큰 걸림돌이었죠.

전기자동차가 급가속 등 고출력으로 주행할 때, 전지의 성능이 감소하는 현상 이미지. 출처: KIST

 

전극 소재의 불완전함이 원인

전기자동차 전극소재인 니켈계 양극재(NCA)의 고율 방전 시 전압 조건에 따른 전지 용량 감소 변화 및 표면 및 벌크 내부구조 변화와의 상관관계 도식도. 출처: KIST

KIST 장원영 박사 연구팀은 리튬이온전지의 급속 충·방전 등 전기차의 다양한 주행환경에서 작동 오류 및 안전사고를 초래할 수 있는 전극 소재의 변형을 분석했습니다. 연구팀은 다양한 투과전자현미경 분석기법(고분해능 이미징 기법, 전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 준비했는데. 이를 활용해 각각 마이크로·나노 스케일에서 전극 구조를 관찰 및 분석했습니다.

 

이를 통해 연구팀은 전지 용량 감소와 수명 단축의 요인을 찾았습니다. 급가속등의 빠른 속도의 방전 현상은 양극(+)으로 전달되는 리튬이온의 양을 제한합니다. 그 결과 불완전하게 회복된 전극 물질은 내부 변형이 일어나죠. 연구팀은 이러한 현상이 결국 전지 용량 감소와 수명 단축의 요인임을 밝혔습니다. 연구팀은 특히 고용량 사용을 위해 고전압으로 충·방전을 하게 되면 전극 구조의 불안정성이 더욱 높아짐을 확인했습니다.

장원영 박사. 출처: KIST
장원영 박사. 출처: KIST

이러한 열화 메커니즘의 규명은 성능 및 안전성을 모두 갖춘 전기차용 차세대 배터리 양극 소재 설계 인자 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대됩니다. 이번 연구를 주도한 KIST 장원영 박사는 "중대형 이차전지 개발에 있어서 전지의 성능 향상과 더불어 안전성 병행이 무엇보다 중요하다" 며 "이번 연구가 전극 소재의 설계에 발판이 되길 바란다"고 전했는데요. 덧붙여 "향후 이번 분석 플랫폼을 이용해 전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 연구에 매진할 계획"이라고 밝혔습니다. 

 

##참고자료##
 


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