배터리 수명 줄이는 열화 과정 원인 규명
배터리 수명 줄이는 열화 과정 원인 규명
  • 함예솔
  • 승인 2020.08.10 16:30
  • 조회수 2033
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특히 '아XX' 배터리 아웃 넘 심해... 출처: pixabay
스마트폰 쓰다보면 뜨거워질 때 있죠? 출처: pixabay

스마트폰을 쓰다 보면 뜨거운 열이 발생합니다. 이러한 과열은 배터리의 수명을 저하시키는 원인 중 하나입니다. 대부분 전자기기에 사용되는 리튬이온배터리는 충전 시 리튬이온이 음극으로 이동하여 음극 속으로 삽입되고 사용할 땐(방전) 정반대의 반응이 일어납니다. 충·방전 과정에서 발생하는 열이 배터리의 수명과 성능에 영향을 준다고 알려져 있지만 분자 수준의 구조적․화학적 변화에 대해서는 아직 명확히 규명되지 않았습니다.

 

배터리 수명 줄이는 열화과정 원리 규명하다

 

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수)과 성영은 부연구단장(서울대 교수) 연구팀은 유승호 고려대 화공생명공학과 교수팀과 함께 온도에 따른 리튬이온배터리 전극물질의 구조 변화를 관측하고 배터리 열화과정의 근본 원인 규명에 성공했습니다.

 

연구진은 온도가 배터리 성능에 미치는 영향을 면밀히 분석하기 위한 실험을 설계했습니다. 우선, 이산화티타늄(TiO2)을 전극(음극)으로 사용하는 리튬이온배터리를 제조했습니다. 리튬이온배터리의 음극으로는 주로 흑연이 쓰입니다. 그러나 이산화티타늄은 흑연보다 안정적인데다, 저렴하고 친환경적이어서 차세대 전극 소재로 각광받고 있습니다.

 

연구진은 충·방전 시 온도를 달리하며 X선 회절 분석법을 통해 이산화티타늄 전극 구조 변화를 관측했습니다. 그 결과, 구동 온도가 높아지면 상온에서 일어나지 않았던 새로운 리튬 저장 메커니즘이 진행됨을 밝혀냈습니다.

  • X선 회절 분석법

결정격자를 통과한 X선(자외선보다 짧은 파장의 영역으로 파장이 10~0.01나노미터이다) 회절의 결과를 해석해 결정 내부의 원자가 어떤 배열을 하고 있는지를 분석하는 방법입니다.

기존에는 배터리를 충전할 때 리튬이온(Li+)이 음극으로 이동해 이산화티타늄과 반응하여 상을 변화(Li0.55TiO2)시킨다고만 알려져 있었습니다. 하지만 분석결과 상온보다 20~30℃만 높아져도 1차 상변화 후 추가적인 2차 상변화(Li1TiO2)가 일어나는 것으로 밝혀졌습니다. 즉 고온이 아닌 전자기기 사용 시 발생하는 40℃ 수준의 온화한 열 조건에서도 예상치 않았던 추가 상변화가 발생한다는 겁니다.

상온과 온화한 열 조건하에서 리튬이온배터리 구조 변화. 출처: IBS
상온과 온화한 열 조건하에서 리튬이온배터리 구조 변화. 출처: IBS

이어 연구진은 전자현미경을 이용해 2차 상변화에 따른 전극의 구조 변화를 관찰했습니다. 2차 상변화가 일어나면 에너지 장벽이 높아져 이산화티타늄 전극 내부에서 리튬이온이 이동하기 어려워집니다. 마치 동맥경화처럼 전극 내에 리튬이온이 축적되다가 충‧방전을 거듭하면 결국 이산화티타늄 격자 구조에 결함이 생겨 비가역적인 손실이 발생했습니다.

고온 충방전 후 전극 구조 변화. 출처: IBS
고온 충방전 후 전극 구조 변화. 출처: IBS

차세대 배터리 설계에 새로운 방향 제시한다

 

이번 연구는 IBS 나노입자 연구단(이산화티타늄 나노입자 전극 합성 및 배터리 설계)과 고려대 연구팀(배터리 열화과정 분석)의 협력연구를 통해 이뤄졌습니다. 배터리 안정성의 핵심인 열화과정의 원인을 분자 수준에서 규명한 만큼, 향후 차세대 배터리 설계에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대됩니다.

고온 충방전 후 전극 구조 변화. 출처: IBS
고온 충방전 후 전극 구조 변화. 출처: IBS

유승호 교수는 "열 발생을 수반하는 에너지 장치의 배터리 설계에 있어 온도는 고려해야할 가장 중요한 요소 중 하나"라며 "온도가 높아지면 추가적인 상변화가 발생하며 배터리의 성능과 수명을 저하시키는 것을 확인했다"고 설명했습니다.

서로 다른 열 조건하에서 리튬이온배터리 성능 비교. 출처: IBS
서로 다른 열 조건하에서 리튬이온배터리 성능 비교. 출처: IBS

성영은 부연구단장은 "최근 전기자동차의 수요 급증과 함께 성능이 우수한 배터리 물질의 개발이 중요해졌다"며 "열에 의한 영향을 최소화할 수 있다면 용량이 높고 안정적인 동시에 오래 사용할 수 있는 차세대 배터리를 설계할 수 있을 것"이라고 덧붙였습니다. 이번 연구 결과는 <Journal of the American Chemical Society>에 게재됐습니다.


##참고자료##

 


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