서울대학교 자연과학대학 임종우 교수팀은 LG에너지솔루션과 공동으로 '리튬 이차전지 저장수명 연장 전략 '을 제시하는 연구성과를 냈다.

리튬 이차전지 기반 전기자동차 시장의 확대와 함께 배터리의 기대수명이 길어지고 있다. 배터리의 실제 수명에는 배터리를 충전 및 방전하며 사용하는 시간과 배터리가 충전된 상태로 방치되는 시간이 복잡하게 얽혀있으며, 배터리를 사용하지 않고 장기간 저장할 때도 시간이 흐르면서 셀의 성능이 퇴화된다.

배터리의 수명에서 저장기간은 불가피하며 비중 또한 상당함에도 불구하고, 저장 중에 발생하는 성능저하(저장퇴화)의 원인은 밝혀진 바 없었다.

저장퇴화는 양극재 및 음극재의 구조적 열화, 전해질 분해 및 기체 발생 반응과 이들 사이의 복잡한 상호작용으로 발생하며, 배터리가 장기간 저장되는 충전상태에 따라 독특한 양상을 보인다.

한 예로, 전기차 및 전자기기 제조사들은 배터리를 100% 완충한 상태로 장기간 방치할 경우 배터리 수명이 크게 줄어든다고 경고한다.

하지만, 70% 충전상태에서 보관할 때 100% 완충 상태로 보관하는 것보다 수명 초기에 배터리 용량이 빠르게 감소한다는 결과가 있을 정도로, 저장퇴화에서 나타나는 특이현상은 그간 이차전지 및 전기차 업계에서 풀리지 않는 수수께끼로 남아있었다.

장수명 이차전지 개발을 위해서는 셀 내에서 발생하는 다양한 열화현상이 셀 성능에 미치는 역할을 바탕으로 저장퇴화의 근원을 명료하게 밝히고, 이를 기반으로 한 저장퇴화 억제 전략 연구가 필수적이다.

연구진은 리튬 이차전지가 충전된 상태로 시간이 흐를 때 “저장퇴화” 되는 수수께끼를 풀어냈으며, 이를 바탕으로 이차전지의 저장 수명을 연장할 수 있는 전략을 제시했다.

이 연구를 통해 배터리를 100% 완충 상태로 보관할 때 70% 충전상태에서 보관할 때 보다 초기 용량이 잘 유지되는 반직관적인 저장퇴화 양상의 근원적 이유를 밝혀냈다.

그리고 100% 완충 상태에서 보관 이후 배터리 용량은 잘 유지되더라도, 저장 중 기체 발생과 양극재 열화가 심각하게 진행되어 추후 사이클 중 하이니켈 양극재의 격자 변형이 심화되는 것을 발견했으며, 100% 완충에 가까운 충전상태를 미세하게 제어하여 저장퇴화를 효과적으로 억제할 수 있는 저장프로토콜을 고안했다.

또한 재료 고도 분석 기법과 셀 내부 기체분석 결과를 통합함으로써 양극재 및 음극재의 열화, 전해질 분해 반응 등이 시간에 따른 셀 성능퇴화에 미치는 영향을 밝혔다.

특히 하이니켈 양극재의 구조적 열화와 이에 수반되는 전해질 분해 반응이 배터리 성능에 미치는 역설적인 영향을 최초로 규명했으며, 배터리의 충전상태별 고유한 저장퇴화 기작을 밝혔다.

이 연구에서 규명한 저장 중 양극재의 구조적 열화 및 저장퇴화 메커니즘을 바탕으로 이차전지 제조를 비롯하여 배터리 관리 관점에서 저장퇴화를 억제할 수 있는 전략을 제시함으로써 리튬 이차전지의 수명 연장에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구의 결과는 에너지 분야의 권위 국제학술지 Energy & Environmental Science(영향력지수 32.5, 환경화학분야 1위 저널)에 게재됐다.


*에듀진 기사 URL: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=43457
기사 이동 시 본 기사 URL을 반드시 기재해 주시기 바랍니다. 

* 대입 성공의 길 알려주는 '나침반36.5' 매거진 정기구독 이벤트 [배너 클릭]