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【신기술 1】 리튬배터리의 무사고·수명연장을 향해
2022-06-22

리튬배터리의 무사고·수명연장을 향해
나노 영상분석부터…배터리 화재 예측까지
급증하는 리튬배터리 수요에 대응하기 위해 리튬배터리의 수명, 안정성 및 에너지 용량, 충전 속도 등 성능 향상을 위한 연구들이 다각도로 이뤄지고 있다. 리튬배터리는 가볍고 에너지 밀도가 높아 수요가 높지만, 휘발성이 있는 액체 전해질로 인해 폭발이나 화재가 날 가능성이 있다. 이번 편에서는 리튬배터리의 안정성을 높임과 동시에 수명을 연장시키는 연구들과 기능향상을 위한 충·방전 과정을 들여다볼 수 있는 영상화 기술 등 다양한 연구 성과를 소개한다.

정리 최종숙 기자 
자료 한국전기연구원(KERI), 광주과학기술원(GIST), 한국과학기술원(KAIST)
실리콘 음극의 불안정성 해결
광주과학기술원(GIST)은 최근 한국에너지기술연구원(KIER)과의 공동 연구를 통해 전기차 리튬배터리 수명에 기여할 실리콘 음극 후공정을 개발했다고 밝혔다.1)

실리콘 음극은 단위 무게 당 이론용량이 최대 4,200 ㎃h/g에 달해 기존 흑연 상용 음극 대비 10배가 넘는다. GIST 에너지융합대학원 김형진 교수 연구팀과 KIER은 그래핀 산화물과 금속 산화물을 완성된 실리콘 음극에 적용해 안정성을 기존 수명 대비 약 7배 향상시켰다. 또한, 연구팀이 개발한 후공정(post-electrode-engineering)은 150회 충·방전 동안 93%의 용량을 유지해 에너지 밀도가 높은 음극 배터리 상용화를 앞당길 것으로 전망된다.

연구팀은 충전 시 약 4배가량 팽창하는 실리콘의 불안정성을 해결하기 위해 열처리로 다공성을 띠는 실리콘 음극 상에 그래핀 산화물(graphene oxide)2)을 용액 공정으로 도포하고, 진공 증착법을 통해 금속산화물3) 박막을 코팅했다. 이를 통해 그래핀 산화물은 충·방전 과정 중에서 실리콘 입자와 응집되면서 전자 전도를 향상시키는 다리 역할을 수행하는 한편, 실리콘 입자의 부피 팽창을 억제하는 완충재 역할을 한다. 연구진은 여기에 전해질과의 부반응과 전극의 구조적 안정성을 위해 안정한 특성의 금속산화물 박막을 전극에 증착해 높은 안정성을 확보했다.

이러한 후공정을 통해 연구팀이 개발한 실리콘 전극은 기존 실리콘 전극보다 수명이 향상됐으며, 20회 동작에서 37 %인 기존의 음극 용량 유지율도 150회 동작에서 93 %까지 크게 높일 수 있었다. 이뿐만 아니라, 1시간 내 충전을 위해 고전류를 이용하는 충·방전 속도 평가에서 기존 실리콘 전극이 고전류 환경에서 정상적으로 작동하지 않았던 반면, 이번에 개발한 실리콘 전극은 원래 용량의 85 %를 충전할 수 있었다고 한다.
리튬이온의 작동 원리 영상화
지난 4월 28일, 한국과학기술원(KAIST)은 리튬이온배터리의 충·방전 과정을 나노스케일에서 영상화시키는 데 성공했다고 밝혔다. 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 독일의 아헨공과대학교 플로리안 하우센(Florian Hausen) 교수와 독일 뮌스터 대학교 카린 클라이너(Karin Kleiner) 교수와 협업해 고용량 리튬이온배터리를 충·방전할 때 리튬이온이 움직이는 모습과 그로 인해서 전자들이 움직이는 전도 경로, 그리고 격자들의 움직임을 원자간력 현미경과 엑스레이 회절 및 흡수 패턴을 분석해 영상화하는 데 성공한 것이다.4) 종전의 전기화학 특성 평가 방법으로는 리튬이온 배터리의 작동을 나노미터 수준에서 이해하는 게 어려웠다.

이번 연구에서는 전기차 배터리의 고용량 양극재인 NCM622 시료의 충·방전상태(State of Charge, SOC)에 따른 리튬이온의 나노스케일 분포도를 영상화했다. 이를 위해 연구진은 원자간력 현미경의 모드 가운데 전기화학적 변형 현미경(Electrochemical Strain Microscopy, ESM)과 전도성 원자간력 현미경(Conductive Atomic Force Microscopy, C-AFM)을 활용했다. 그리고 이 영상을 근단엑스선형광분광계(Near Edge X-ray Absorption Fluorescence Spectroscopy, NEXAFS)와 엑스선회절패턴(X-ray Diffraction Pattern, XRD pattern)과 비교 분석했다.

그 결과 연구팀은 리튬이온이 양극재에 확산될 때 산소팔면체에 들어가면서 니켈과 산소의 결합이 이온 결합에서 공유결합으로 바뀌었고, 동시에 전기전도도가 낮아지는 현상을 검증했다. 그리고 ESM, C-AFM 영상과 비교하면서 상당한 상관관계가 있음을 밝혀냈다. 교신 저자인 홍승범 교수는 이번 연구와 관련해 “향후 신뢰성이 높고 수명이 긴 고속 충·방전 배터리 소재를 디자인하는 데 매우 중요”하다며 배터리 소재 개발기간을 크게 단축하게 될 것이라는 기대를 내비쳤다.

배터리 수명 및 발열, 화재 예측
한국전기연구원(KERI)은 5월 9일 차세대전지연구센터 하윤철 박사와 대구경북과학기술원(DGIST) 이용민 교수의 공동연구로 개발한 ‘리튬이차배터리 수명 및 발열 특성 분석 기술’을 발표했다.5)

리튬이온 배터리의 사용이 늘면서 화재와 폭발 위험성도 높아져 국내외 다수의 전문가가 사고 예방을 위한 기술 개발에 큰 노력을 기울이고 있다. 무엇보다 ‘열 관리’는 리튬이차배터리의 안전한 사용을 위한 가장 중요한 기술 중 하나다. 온도가 지나치게 높아지거나 낮아지게 되면 배터리의 성능이 더 빠르게 저하되기 때문이다. 그러나 현재 ‘열 관리 시스템’은 지금까지 배터리의 초기 특성에 따라 설계되고 있어 장기간 사용으로 성능이 저하된 배터리의 특성은 반영하지 못하고 있다.

이에 연구팀은 리튬이차배터리의 장기 충·방전 과정이 수명과 발열 문제에 미치는 영향을 분석하고, 이를 통해 배터리 화재까지 예측할 수 있는 기술을 개발했다. 충격 등 외부 요인이나 제조사 결함이 없는 정상적인 배터리라도 체계적인 열 관리 없이 장기간 사용하면 사고에 이를 수 있다는 것을 과학적으로 밝혀낸 것이다.

연구팀은 배터리의 사용 횟수에 따른 저장 용량 변화를 단순한 수치로만 제시했던 기존 연구들과는 달리, 세계 최초로 충·방전 속도가 배터리 수명과 발열 특성에 미치는 영향을 통계학적으로 정확하게 분석했다. 이는 리튬이차배터리 중 가장 많이 생산되는 원통형 배터리(2.85 Ah)를 대상으로 다양한 충·방전 조건에서 1,000회 이상 실험을 통해 170만여 건의 시계열(time-series) 데이터를 분석한 결과다.


또한 연구팀은 해당 데이터를 시각화하고 통계 처리할 수 있는 ‘파이선’(python) 프로그램을 자체 개발해 배터리의 장기 성능 분석의 성과와 상용소프트웨어 프로그램과 연계해 시뮬레이션의 기반을 마련했다. 이를 통해 스마트폰을 비롯해 밀폐된 환경에서 수백, 수천 개의 배터리를 밀집해 사용하는 전기차와 ESS까지 안전성을 크게 높일 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

더불어 연구팀은 앞으로 꾸준한 연구를 통해 파우치형/캔형 등 다양한 형태의 배터리를 안정적으로 운용하는 데 도움을 줄 수 있는 기술도 개발할 계획이라고 전했다. 
1) GIST 내 연구조직인 ‘지스트 연구원’(GRI) 및 한국에너지기술연구원 사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구는 에너지 및 연료 분야 학술지인 〈Journal of Materials Chemistry A〉의 2022년 3월 21일자 온라인판에 “Viable post-electrode-engineering for the complete integrity of large-volume-change lithium-ion battery anodes”라는 제목으로 게재됐다.

2) 탄소 원자가 육각형 벌집 모양으로 결합한 구조가 평면상에 반복되는 소재. 기계적 강도가 좋고 전류 전도 특성이 우수해 미래의 전자 소재로 연구되고 있다.

3) 금속 원자와 산소원자가 결합한 형태의 화합물. 얇은 박막으로 형성할 수 있으며 안정한 특성으로 코팅재료로 많이 활용되고 있다.

4) KAIST 글로벌 특이점 사업과 한국연구재단의 거대과학연구개발사업의 지원을 받아 수행한 해당 연구는 국제 학술지 <ACS 어플라이드 에너지 머티리얼스>(ACS Applied Energy Materials)에 “Unraveling the State of Charge-Dependent Electronic and Ionic Structure-Property Relationships in NCM622 Cells by Multiscale Characterization”이라는 제목으로 게재됐다.

5) 해당 연구는 과학기술연합대학원대학교(UST) KERI 캠퍼스 정태종 박사과정 학생과 DGIST 이효빈 박사과정 학생이 주저자로 참여했으며, 전기화학 분야 세계적 학술지 <저널 오브파워소스>(Journal of Power Sources) 5월호에 게재됐다. 논문 제목은 “리튬이차배터리 수명 및 발열 특성 분석 기술”이다. 한편 이번 연구는 KERI 기본사업, 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업 및 산업통상자원부 PCS 경쟁력 강화 핵심기술개발사업으로 진행됐다.

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