리튬이온 배터리 안전성 및 지속성 향상
리튬이온 배터리 안전성 및 지속성 향상
  • 함예솔
  • 승인 2020.05.26 14:35
  • 조회수 2208
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성균관대학교 에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀(제1저자 이은강 연구원)이 더 안전하고 오래가는 전기 자동차 및 전자 기기를 위해 필수적인 리튬이온 배터리 안전성 향상에 새로운 길을 제시했습니다. 수년 간 밝혀지지 않았던 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성의 우너리를 규명한건데요. 이 연구는 <Advanced Science>에 게재됐으며 저널의 커버로 선정됐습니다. 

외부 온도증가에 따른 층상 구조 Ni-rich 양극소재 내 발생하는 열팽창 (thermal expansion)과 산소결함 (oxygen vacancy) 의 발생과 그에 따른 결정구조 변화 및 상전이 과정에 대한 모식도. 출처: 성균관대학교
외부 온도증가에 따른 층상 구조 Ni-rich 양극소재 내 발생하는 열팽창 (thermal expansion)과 산소결함 (oxygen vacancy) 의 발생과 그에 따른 결정구조 변화 및 상전이 과정에 대한 모식도. 출처: 성균관대학교

니켈계 층상구조 양극소재의 열적 불안정성 개선되나

 

고성능 차세대 전기 자동차 및 전자기기들의 지속적이고 편리한 사용을 위해 리튬이온 배터리의 양극소재로 고함량 니켈계 층상구조 양극소재가 각광받고 있습니다. 하지만 니켈계 층상구조 양극소재의 고유한 열적불안정성 때문에 상용화에 어려움이 많았습니다.

불 속에서도 죽지 않는다. 리튬-황 전지! 출처: AbobeStock
열적불안정성 개선되나. 출처: AbobeStock

이에 연구팀은 가열 중에 변화하는 고함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열분해 반응에 대한 체계적인 연구를 진행했습니다. 기존에 밝혀지지 않았던 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성의 원인은 가열 중 니켈이온에 의한 소재의 열팽창과 소재 내 산소 결함의 발생이 상전이에 필요한 에너지를 낮춰주기 때문이라는 것을 규명했습니다.  

 

나아가 연구팀은 고 에너지밀도를 위해 반드시 양극소재에 필요한 원소인 니켈이온이 층상구조 양극소재의 열적불안정성을 유발하는 메커니즘을 규명하고 고함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열적불안정성 개선을 위한 핵심 인자(Key-factor)를 제시했습니다.

 

본 연구는 리튬이온 배터리의 안전성 개선을 위한 기존과 다른 새로운 통찰 및 방안을 제공함으로써 고성능 전기 자동차 및 전자기기 사용에서 가장 중요한 리튬이온 배터리의 안전성 향상시키는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 

이은강 연구원. 출처: 성균관대학교
이은강 연구원. 출처: 성균관대학교

 

 

 

 

이번 논문의 제1저자인 이은강 연구원은 "더 안전하고 오래가는 전기자동차 개발에 가장 걸림돌이 되어온 리튬이온배터리의 발화, 폭발 등의 안전성 이슈에서 중요 설계인자들을 도출함으로써 리튬이온 배터리의 안전성을 획기적으로 향상시킬 가능성을 열었다"고 연구 의미를 설명했습니다.

 

 

 

 


##참고자료##

 

Lee, Eunkang, et al. "Tracking the Influence of Thermal Expansion and Oxygen Vacancies on the Thermal Stability of Ni‐Rich Layered Cathode Materials." Advanced Science (2020): 1902413.


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