충전방식에 따라 배터리 성능 저하 달라진다

KIST, 전압 안전 상한선 최대 활용 시 성능 악화
리튬이온전지 안전 구동 및 성능 최적화 기여

한국과학기술원은 리튬이온전지에 통용되는 '정전류-정전압' 방식이 충전 전압 안전 상한성 대비 낮은 전압으로 충전될 때 배터리 성능 유지에 효율적이라는 것을 밝혀냈다. KIST 제공

충전 전압 안전 상한성을 최대한 활용해 충전하면 오히려 배터리 성능 저하를 가져 온다는 연구결과가 나왔다. 충전방식이 배터리 성능에 영향을 준다는 사실을 과학적으로 규명한 것이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 장원영 박사와 김승민 박사 연구팀이 리튬이온전지 충전 방식으로 통용된 '정전류-정전압' 방식이 충전 전압 안전 상한선에서 배터리 성능을 저하시킨다는 점을 알아냈다고 11일 밝혔다.

리튬이온전지는 충전 시 충전 전압의 안전 상한성을 유지하면서 충전 용량을 최대한 확보하기 위해 주로 정전류-정전압 방식을 활용한다. 이 방식은 먼저 일정한 전류를 흘려주며 충전을 한 뒤, 일정한 전압을 유지하는 구간을 삽입하는 방법이다. 그동안 리튬이온전지에서 정전류-정전압을 활용하면 최대한의 주행거리를 확보하면서 고속 충전 시 발생하는 전지 소재의 입자 불균일성을 완화해 구조 불안정성을 낮출 수 있다고 알려져 있었다.

연구팀은 전기 자동차용 하이-니켈계 양극 소재를 대상으로 충전전압 안전 상한선인 4.3V에서 고속 충·방전 사이클 실험을 진행한 후, 투과전자현미경으로 정밀 분석했다. 그 결과, 충전 중 리튬 자리로 이동한 니켈이 방전 시에도 본래의 자리로 돌아가지 못하면서 리튬과 니켈 양이온의 '주기적 섞임 현상'이 발생해 심각한 배터리 성능 저하가 일어나는 것을 확인했다.

다만 이런 현상은 충전 전압 안전 상한선에 여유를 준 4.1V로 고속 충·방전을 진행했을 때는 관찰되지 않았다. 정전류-정전압 방식은 충전 전압 안전 상한선 대비 낮은 전압으로 충전할 때 효율적이며, 반대로 상한성을 최대한 활용해 충전하면 오히려 배터리의 성능 저하를 유도할 수 있음을 보여준 연구 결과라는 게 연구팀의 설명이다.

장원영 KIST 박사는 "배터리를 화재 위험 없이 긴 주행거리를 사용하려면 고성능 전극 소재 개발뿐 아니라, 배터리 충방전 방식 설계도 중요하다는 점을 보여준 것"이라며 "앞으로 안전한 전지 구동과 성능 최적화를 구현하는 과학적 근거로 널리 쓰일 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 재료과학·에너지 소재 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼스' 표지 논문으로 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr