전기차 배터리 전기 저장 수명 늘린다…성능 저하 메커니즘 규명

서울대-LG에너지솔루션

국내 연구진이 저장기간 중 배터리 용량이 빠르게 감소하는 '저장퇴화' 문제를 해결할 단서를 찾았다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 저장기간 중 배터리 용량이 빠르게 감소하는 ‘저장퇴화’ 문제를 해결할 단서를 찾았다. 저장퇴화는 그간 이차전지와 전기차 업계의 난제로 여겨졌다. 

서울대는 임종우 화학부 교수와  LG에너지솔루션 공동연구팀이 리튬 이차전지가 충전된 상태로 시간이 흐를 때 저장퇴화되는 메커니즘을 규명했다고 22일 밝혔다. 연구팀은 “이차전지의 저장 수명을 연장할 수 있는 전략을 제시했다”고 설명했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘에너지 & 환경 과학’에 7일 게재됐다.

배터리 수명은 배터리를 충전 및 방전하며 사용하는 시간과 배터리가 충전된 상태로 방치되는 시간에 모두 영향을 받는다. 배터리를 사용하지 않고 장기간 저장할 때도 시간이 흐르면서 셀의 성능이 퇴화된다. 배터리의 수명에서 저장기간은 불가피하며 비중 또한 상당하지만 저장 중에 발생하는 저장 퇴화의 원인은 밝혀진 바 없었다.

연구팀은 방사광 가속기 기반 재료 고도 분석 기법과 기체분석 결과를 통합해 셀 내에 복잡하게 얽혀있는 열화현상이 셀 성능퇴화에 미치는 영향을 풀어냈다.

저장퇴화 후 파우치셀을 충전‧방전하는 중 실시간 X선 회절분석을 통해 양극과 음극의 리튬 함량을 동시에 분석했다. 이를 통해 저장 이후 셀 용량 감소의 주된 원인을 밝혔다.

분석 결과 70% 충전상태에서 저장할 때 양극재 열화보다는 음극에서의 전해질 분해 반응이 셀의 용량 감소를 주도하는 것으로 나타났다. 100% 충전상태에서는 하이니켈 양극재의 구조 및 계면 불안정성이 양극재의 열화와 셀 내 기체 발생을 초래했지만 저장 초기에는 오히려 배터리의 용량 저하를 완화하는 역할을 하는 것이 확인됐다.

연구팀은 “저장 중 배터리의 충전상태에 의존하는 저장퇴화의 근원과 양극재의 열화기작을 밝히고 저장퇴화를 주도하는 열화현상을 완화할 수 있는 배터리 제조 및 관리 전략을 체계적으로 제시했다”고 말했다.

연구팀이 관찰한 양극재의 열화 현상을 요약한 그림. 서울대 제공

[박정연 기자 hesse@donga.com]