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KIST "리튬이온전지 성능 저하 메커니즘 규명"

송고시간2022-08-11 12:00

'정전류-정전압' 방식, 충전전압 상한선에서 배터리 성능 저하

백커버 표지논문
백커버 표지논문

[KIST 제공. 재판매 및 DB 금지]

(서울=연합뉴스) 문다영 기자 = 현재 사용되는 리튬 이온 전지의 충전 방식이 배터리의 성능을 저하시킬 수 있다는 국내 연구 결과가 나왔다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구센터 장원영 박사와 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 보편적인 리튬이온전지 충전방식으로 통용된 '정전류-정전압' 방식이 충전전압 안전 상한선에서는 배터리의 성능을 저하시킨다는 점을 밝혀냈다고 11일 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼스'(Advanced Energy Materials) 최신 호에 백 커버(back cover) 표지 논문으로 게재됐다.

정전류-정전압 방식이란 먼저 일정한 전류를 흘려주며 충전을 한 뒤 일정한 전압을 유지하는 구간을 삽입하는 방법이다.

그간 리튬 이온 전지에서 정전류-정전압 방식을 활용하면 최대한의 주행거리를 확보하고 고속 충전 시 발생하는 전지 소재의 입자 불균일성을 완화해 구조 불안정성을 낮추는 것으로 알려졌다.

연구 도식도
연구 도식도

NCM 양극재를 충전 전압 안전 상한선을 최대한 활용하여 고속 충, 방전 싸이클 시, 충전 방식 차이에 따른 전지 용량 감소 변화 및 내부구조 변화와의 상관관계 도식도 [KIST 제공. 재판매 및 DB 금지]

공동연구팀이 전기 자동차용 하이-니켈계 양극 소재를 대상으로 충전전압 안전 상한선인 4.3V에서 고속 충·방전 사이클 실험을 진행해 투과전자현미경으로 정밀 분석을 하자 다른 결과가 나타났다.

충전 중 리튬 자리로 이동한 니켈이 방전 시에도 본래의 자리로 돌아가지 못하면서 리튬과 니켈 양이온의 '주기적 섞임 현상'(periodic cation-mixing)이 발생하는 등 배터리 성능 저하가 일어났다.

다만 이런 현상은 충전전압 안전 상한선에 충분한 여유를 준 4.1V로 고속 충·방전을 진행했을 때는 관찰되지 않았다.

KIST 전북분원 김승민 박사는 "충전 전압의 안전 상한선을 최대한 활용할 경우 현재 여러 디바이스와 애플리케이션에 적용되고 있는 정전류-정전압 충전 방식이 정전류 충전 방식에 비해 큰 장점이 없으며, 장기 사이클에서 오히려 전지 성능의 열화를 가속한다"고 연구 결과를 설명했다.

KIST 장원영 박사는 "최근 전 세계적으로 전기 자동차의 화재가 발생하고 있는데, 주행 성능을 높이기 위해 배터리의 안전 상한선을 최대한 활용하는 설계가 사고의 핵심 원인 중 하나로 지목되고 있다"며 "화재 위험 없이 긴 주행거리에서 배터리를 사용하기 위해서는 충·방전 방식 설계가 중요하다는 점을 확인했다"고 밝혔다.

아울러 연구팀은 이번 연구 결과에서 활용된 분석 기법과 새롭게 발견된 전기화학적 지식이 전지 및 전기자동차 회사에서 곧바로 활용 가능할 것이라고 밝혔다. 이 논문에는 LG화학[051910]에 재직 중인 박재열 KIST 박사후연구원과 삼성전자[005930]에 재직하는 조민지 KIST 학생연구원이 제1 저자로 이름을 올렸다.

zero@yna.co.kr

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