최근 전기자동차 배터리의 화재 사고가 끊이지 않고 있는 가운데 국내 연구진이 배터리의 열적 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법을 개발했다.

KIST(원장 윤석진)는 장원영 에너지저장연구단 박사와 김승민 전북분원 탄소융합소재연구센터 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용해 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축, 이를 통해 전기 자동차용 양(+)극 소재의 열분해 메커니즘 변화를 규명했다고 3일 밝혔다.

배터리 양극은 충전용량, 즉 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심 부분이다. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 성분으로 배합∙제작되는데, 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 새로운 구성 비율을 찾으려는 연구가 활발하다. 

양극 소재에 있는 니켈은 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있을뿐더러 저렴하다. 하지만 니켈은 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아진다는 단점이 있다.

배터리 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 발생하기 때문에 연구진은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면을 투과전자현미경 분석기법으로 관찰·분석하였다. 그 결과 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극 소재에서 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리 안전성 확보를 위한 구성 원소 역할을 규명할 수 있었다.

연구진은 NCA 양극 소재에서의 알루미늄 대비 니켈 증가는 용량 향상을 보이지만, 실제 상한 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 열 안정성이 크게 저하된다는 것을 관찰했다. 분석 결과, 실제 산화∙환원 반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중 열 안정성을 저하할 수 있는 새로운 상(O1 Phase)이 형성되고 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성 원인임을 밝혔다.

장원영 박사는 "연구를 통해 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다"고 말했다. 김승민 박사는 "이번에 개발한 고도 분석기법을 통해 향후 미량 원소 혼입에 따른 영향을 파악, 안정성이 확보된 고성능 양극 소재를 개발할 수 있을 것"이라고 내다봤다.

과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요 사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행된 이번 연구는 에너지 분야 국제학술지 'Nano Energy' (IF:16.602, JCR 분야 상위 4.29%) 최신 호에 게재될 예정이다. (논문명: Different Thermal Degradation Mechanisms: Role of Aluminum in Ni-rich Layered Cathode Materials)