대용량 배터리 수명 줄이는 원인 규명…"충전 끝나도 리튬 움직여"

전기차와 에너지저장장치에 활용하는 고용량 배터리는 충전과 방전이 반복될수록 성능이 크게 저하된다. 게티이미지뱅크 제공

전기차나 에너지저장장치(ESS)에 쓰이는 고용량 리튬이온배터리의 성능을 저하시키는 새로운 원인이 규명됐다. 충전이 끝난 뒤에도 전극 내부에서는 리튬 이온이 입자 사이를 이동하며 특정 입자의 전기화학적 부담을 높인다는 것이다. 배터리 수명을 늘리려면 개별 소재의 성능뿐 아니라 전극을 구성하는 입자의 균일성도 고려해야 한다는 설명이다.

한국연구재단은 김민규 인하대 교수팀이 리튬이온배터리 전극 내부의 입자 간 충전상태 불균형으로 발생하는 리튬이온 이동이 배터리 열화를 촉진한다는 사실을 규명했다고 14일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 지난달 30일 게재됐다.

고용량 배터리는 충·방전을 반복할수록 성능이 급격히 떨어지는 '열화' 현상이 나타난다. 전기자동차와 에너지저장장치에 고용량 배터리를 사용하려면 열화 현상을 줄여야 한다.

기존 연구는 단일 소재나 개별 입자의 구조적 안정성에 집중해 전극 수준에서 여러 입자의 상호작용으로 인해 발생하는 열화 과정의 원리를 규명하기 어려웠다.

연구팀은 크기가 다른 두 종류의 양극 입자를 여러 비율로 혼합한 복합전극을 제작했다. 자체 개발한 반응 분해 분석 플랫폼과 방사광 기반 마이크로 X선 회절 매핑·투과 X선 현미경 기술을 활용해 제작한 복합전극 전체와 개별 입자 내부의 반응 분포를 추적했다.

분석 결과 외부 충전을 중단한 이후 리튬 이온이 자발적으로 배열을 바꾸는 현상이 확인됐다. 내부 리튬 이동은 입자 간 충전 상태를 동기화하는 과정이지만 두 입자군의 혼합 비율이 불균형하면 열화를 촉진하는 것으로 드러났다.

한쪽 입자군의 함량이 낮으면 충전 상태를 맞추기 위해 발생하는 내부전류가 소수의 입자에 집중됐다. 외부에서는 전류가 흐르지 않는 것처럼 보여도 전극 내부에서는 특정 입자에 추가적인 전기화학 부담이 유발되는 것이다.

내부전류가 집중된 입자에서는 전해질과의 반응으로 유기물계 표면 피막이 두껍게 형성됐다. 리튬이 이동할 수 있는 정상적인 층상 결정구조가 전기화학적으로 불활성 상태인 '암염상 구조'로 변형됐다. 구조 변형은 리튬이온 이동을 방해하고 전극 저항을 높여 열화를 발생시킨다.

김민규 교수는 "우수한 소재라도 전극 안에서 다른 입자들과 반응 속도가 맞지 않으면 특정 입자가 선택적으로 망가질 수 있음을 보여준다"며 "향후 전극을 구성하는 모든 입자가 균일하고 동기화된 방식으로 반응하도록 설계하는 것이 고용량·장수명 배터리 개발의 핵심 기준이 될 것"이라고 말했다.

<참고 자료>
doi.org/10.1002/aenm.71377

김민규 교수, 오세헌 인하대 화학과 석사, 김수영 석박통합과정생, 김인호 박사과정생. 한국연구재단 제공

[문혜원 기자 moony@donga.com]