서울대학교 자연과학대학 화학부 임종우 교수 연구팀의 '실시간 나노 화학 이미징으로 인산철 배터리의 고속 방전에서의 효율저하 원인 규명' 연구결과가 국제학술지 'Energy & Environmental Science'(EES)에 6월 온라인 게재됐으며, 8월호 저널의 표지로 선정되어 출판 예정이다.

리튬이온 배터리의 가장 강력한 장점 중 하나는 충전 과정을 통해 에너지를 저장하고, 저장해둔 에너지를 언제 어디서든 사용할 수 있다는 것이다.

그러나 아직 리튬이온 배터리에서 해결되지 않은 큰 문제점 중 하나는 충전 때 저장된 화학적 에너지를 고속으로 출력시킬 때(예를 들어 전기차의 고속주행, 노트북의 고성능 모드 등) 매우 큰 저항과 에너지손실이 발생한다는 것이다.

연구자들은 이에 대한 원인을 느린 리튬이온의 확산으로 추측했으나 명확한 원인은 현재까지 규명되지 않았다.

서울대 연구진은 방사광 가속기 기반의 실시간 X선 현미경을 활용해 사람 머리카락 굵기의 1/100 미만 크기의 인산철 배터리 입자의 표면과 내부에서 충·방전 중에 시시각각 변화하는 리튬이온의 분포 및 전류밀도를 나노미터 단위에서 전세계 최초로 관측했다.

이 연구를 통해 충·방전 속도에 따라 전극 입자의 표면과 내부에서 리튬의 이동 경로가 완전히 변화한다는 사실을 확인했으며, 이러한 현상이 고속 충·방전 시 발생하는 에너지 비효율성의 주요 원인임을 밝혀냈다.

특히 방전 과정에서 방전 속도가 증가함에 따라 입자의 표면에 리튬이 많은 상이 더욱 형성되는 것을 관측해냈고, 이러한 표면의 상이 방전 시 더 큰 저항을 만들어 고속 출력을 저해하는 주요 원인임을 규명했다.

이 연구를 통해 인산철 전극의 고속 충·방전 성능을 개선하기 위해서 전극 표면의 리튬이온 분포에 관한 연구가 필수적임을 제시했으며, 이에 대한 정확한 제어가 이뤄진다면 획기적으로 향상된 인산철 전지를 개발할 수 있을 것으로 기대된다.


*에듀진 기사 URL: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=43302
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