IBS, '배터리 수명 줄이는 열발생 근본원인 규명'…차세대 배터리 개발기여

고려대 공동연구서 충·방전 시 배터리 전극 구조 변화 관찰

이산화티타늄 격자 구조에 결함 초래, 국제 학술지에 논문 게재

[대전=뉴시스] 상온과 온화한 열 조건하에서 리튬이온배터리 구조 변화. IBS는 공동연구를 통해 이산화티타늄 리튬이온배터리가 40~60℃의 온화한 열 조건에서 충·방전될 때 추가적인 상변화가 일어나고 전극물질을 노화시킨다는 사실을 확인했다.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 휴대전화 등의 베터리에서 생기는 열 발생 원인이 국내연구진에 의해 규명됐다.
 
기초과학연구원(IBS)은 나노입자연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수)과 성영은 부연구단장(서울대 교수) 연구팀이 유승호 고려대 교수팀과 함께 온도에 따른 리튬이온배터리 전극물질의 구조변화를 관측하고 배터리 열화과정의 근본원인 규명에 성공했다고 5일 밝혔다.

 대부분 전자기기에 사용되는 리튬이온배터리는 충전 시 리튬이온이 음극으로 이동, 음극 속으로 삽입되고 사용할 땐(방전) 정반대의 반응이 일어난다.

충전·방전 과정에서는 열이 발생하고 열은 배터리의 수명과 성능에 영향을 준다고 알려져 있지만 분자 수준의 구조·화학적 변화에 대해서는 아직 명확히 규명되지 않고 있다.

이번 연구서 공동 연구진은 온도가 배터리 성능에 미치는 영향을 분석키 위해 흑연을 대신해 이산화티타늄(TiO2)을 전극(음극)으로 사용하는 리튬이온배터리를 제조했다.

이어 연구진은 충전·방전 시 상온(25℃)과 고온(60℃) 등 온도를 달리하며 X선 회절 분석법을 통해 이산화티타늄 전극 구조 변화를 관측, 구동 온도가 높아지면 상온에서 일어나지 않았던 새로운 리튬 저장 메커니즘이 진행되는 사실을 확인했다.

기존에는 배터리를 충전할 때 리튬이온(Li+)이 음극으로 이동해 이산화티타늄과 반응, 상을 변화(Li0.55TiO2)시킨다고만 알려져 있었다. 하지만 분석결과 상온보다 20~30℃만 높아져도 1차 상변화 후 추가적인 2차 상변화(Li1TiO2)가 일어나는 것으로 밝혀졌다.
 
 이는 고온이 아닌 전자기기 사용 시 발생하는 40℃ 수준의 온화한 열 조건에서도 예상치 않았던 추가 상변화가 발생한다는 의미다.

또 연구진은 전자현미경을 이용해 2차 상변화에 따른 전극의 구조 변화를 관찰해 이산화티타늄 구조에 결함이 생기는 사실도 확인했다.

[대전=뉴시스] 고온 충·방전 후 전극 구조 변화. 고온에서 일어나는 2차 상변화로 인해 전극으로 쓰인 이산화티타늄 나노입자가 잘개 쪼개져 배터리의 성능에 직접적인 영향을 미친다.

연구진은 "2차 상변화가 일어나면 에너지 장벽이 높아져 이산화티타늄 전극 내부에서 리튬이온이 이동하기 어려워진다"며 "마치 동맥경화처럼 전극 내에 리튬이온이 축적되다가 충전·방전을 거듭하면 결국 이산화티타늄 격자 구조에 결함이 생겨 비가역적인 손실이 발생하는 것"이라고 설명했다.

배터리 안정성의 핵심인 열화과정의 원인을 분자 수준에서 규명한 이번 연구는 향후 차세대 배터리 설계에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.

 이번 연구결과는 화학분야 세계적 학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, IF 14.612)에 지난 5일(현지시간)자로 게재됐다. 논문 제목은 Operando Identification of the Chemical and Structural Origin of Li-Ion Battery Aging at Near-Ambient Temperature.

유승호 교수는 "열 발생을 수반하는 에너지 장치의 배터리 설계에 있어 온도는 고려해야할 가장 중요한 요소 중 하나"라며 "온도가 높아지면 추가적인 상변화가 발생하고 배터리의 성능과 수명을 저하시키는 것을 확인했다"고 설명했다.

성영은 부연구단장도 "최근 전기자동차의 수요 급증과 함께 성능이 우수한 배터리 물질의 개발이 더 중요해 지고 있다"면서 "열에 의한 영향을 최소화할 수 있다면 용량이 높고 안정적이며 오래 사용할 수 있는 차세대 배터리를 설계할 수 있을 것"이라고 강조했다.


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