에너지과학과 윤원섭 교수, 고온 환경에서 리튬 이온 배터리의 수명 저하 원인 규명

- 리튬 이온 배터리의 용량 열화 현상에 대한 메커니즘 규명

- 안정적인 차세대 고용량 양극재 개발 방향성 제시

- 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 표지 논문으로 선정

▲ (왼쪽부터) 에너지과학과 윤원섭 교수, 김민지 박사과정생, 이원태 연구교수

에너지과학과 윤원섭 교수(성균에너지과학기술원 차세대배터리 연구소장) 연구팀이 고온 환경에서 리튬 이온 배터리 셀 구동 시 발생하는 용량 감소의 원인을 충/방전에 따라 양극소재 내에서 구분할 수 있음을 최초로 규명하였다.

전기차 시장 커져가는 가운데 고에너지 밀도의 고함량 니켈 층상구조 산화물 양극소재의 완전 셀(Full-cell)* 내 우수한 용량 유지 성능에 대한 필요성이 요구되고 있다. 특히, 고온 조건에서의 배터리 내 다양한 열화 현상들이 더욱 가속화 하면서 상온과 비교했을 때 고온에서는 더욱 급격한 용량 감소를 보인다. 따라서 외부 구동 온도에 따른 배터리 용량 저하 메커니즘에 대한 이해와 향후 고온 조건에서 안정적인 용량 발현을 위한 양극재 개발이 중요하게 대두되고 있다.

* 완전 셀(Full-cell): 양극과 음극이 동시에 전기화학 반응에 참여하는 완전한 전지의 형태로서 실제 전지의 특성 규명에 유리함

이에 윤원섭 교수 연구팀은 고니켈 함량의 층상구조 양극소재와 흑연재를 활용한 완전 셀 시스템을 구성하고 고온 45℃에서 1,000 사이클의 장기 열화를 진행했다. 이후 재생(refresh) 과정에서 양극재의 용량과 구조가 일부 회복되는 현상을 관찰함으로써 완전 셀 내 전체 용량 감소에는 음극재에서 소모되는 리튬양에 따른 pesudo-deterioration(유사-열화)가 일부 혼합되어 있음을 확인하였다.

* 재생: 열화로 인해 소모된 셀 내부 가용 리튬 소스를 리튬 메탈과 새로운 전해질로 재조립하여 회복시켜 주는 과정

▲ 파우치 full-cell 내 양극소재의 재생 과정에 대한 모식도와 NCA 양극소재의 고온 1000사이클 열화 및 재생 후 충방전 상태의 격자구조 변화 정도 비교

방사광가속기 X-선 회절 분석을 중심으로 하여 재생 전후와 초기 방전 깊이별 양극재의 격자상수를 가용 리튬(Li)의 정도에 따라 비교한 결과, 방전 후에도 일부 남아있는 양극소재 내의 리튬(Li) 손실 정도를 방전 열화(Discharge fading)로 규명했다. 이러한 손실은 방전 끝단에서 일부 회복되었지만, 충전 끝단에서의 충전 열화(Charge fading)는 상대적으로 회복 정도가 낮다는 것을 발견했다. 특히, 이 연구에서는 외부 고온 환경에서의 장기 사이클 동안 두 가지 혼합 형태의 혼합 열화(Mixed fading)로 용량 감소가 심화하며 이는 복합적인 양극재 열화의 원인에 따른 것으로 밝혔다.

▲ 완전 셀(Full-cell) 시스템 내 NCA 양극 소재의 충전 및 방전 열화의 개요도

연구팀은 본 연구가 리튬이온배터리의 고온에서의 용량 열화 메커니즘의 이해에 대한 새로운 연구방향을 제시하고 있다고 언급했다. 더 나아가 그동안 명확히 규명되지 못한 배터리 열화 메커니즘에 대한 학술적 이해를 증진시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다. 아울러 미래에 더 신뢰성 높은 에너지 저장장치를 개발하는 데 도움이 될 것으로 예상한다고 덧붙였다. 특히 소형 전지에서부터 전기 자동차와 같은 고에너지 저장장치까지 다양한 디바이스의 활용을 위해 고온에서의 배터리 성능 저하 메커니즘을 심층적으로 이해하는 데 도움이 될 것으로 강조했다.

윤 교수는 “양극재의 니켈 함량을 증진하는 흐름에서 각 양극 소재가 사용되는 디바이스들의 특성을 고려한 소재 개발의 전략적 방향성을 제시하였다”며 “학술적 관점뿐 아니라 산업적인 면에서도 중요한 역할을 할 것으로 예상된다”고 말했다. 덧붙여 “신뢰성 있는 배터리 기술 발전은 산업 분야 및 경제적 측면에서 큰 파급효과를 가져올 것”이라고 설명했다.

에너지과학과 윤원섭 교수와 김민지 연구원, 이원태 연구교수가 수행한 본 연구는 소재과학 분야 세계적인 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF: 27.8)에 지난 11월 5일 표지 논문(front cover)으로 선정되었다.

○ 관련 언론보도

- 성균관대 윤원섭 교수, 고온 환경에서 리튬 이온 배터리의 수명 저하 원인 규명 <팝콘뉴스, 2023.11.21.>
- 성균관대 윤원섭 교수, 고온 환경에서 리튬 이온 배터리의 수명 저하 원인 규명 <핀포인트뉴스, 2023.11.21.>
- 성균관대 윤원섭 교수 고온 환경에서 리튬 이온 배터리의 수명 저하 원인 규명 <베리타스알파, 2023.11.21.>