열화현상

열화현상(劣化現象, deterioration)은 리튬이온 배터리에 포함되는 산소가 누출됨으로써 일어나는 현상이다. 배터리를 충전하면 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동한다. 이때 전극 표면에는 성능이 떨어지며 파괴되는 열화현상이 일어난다.

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원인

기초과학연구원 나노입자 연구단 현택환 단장과 성영은 부연구단장 연구팀은 유승호 고려대 화공생명공학과 교수팀과 함께 온도에 따른 리튬이온 배터리 전극 물질의 구조 변화를 관측하고, 배터리 열화현상의 근본 원인 규명에 성공했다. 연구팀은 이산화티타늄(TiO₂)을 전극(음극)으로 쓰는 리튬이온배터리를 제조해 충·방전 시 온도를 달리하며 'X선 회절 분석법'으로 전극구조 변화를 관측했다. X선 회절 결과를 해석해 결정 내부 원자 배열을 분석하는 방법이다. 이 결과 구동 온도가 높을수록, 새로운 리튬 저장 메커니즘이 진행됨을 밝혀냈다. 기존에는 배터리를 충전할 때 리튬이온이 음극으로 이동, TiO₂와 반응해 상변화한다. 그러나 상온보다 20~30도만 높아도 추가적인 2차 상변화가 일어나는 것으로 밝혀졌다. 전극구조 변화 관찰 결과, 2차 상변화가 일어나면 에너지 장벽이 높아져 TiO₂ 전극 내부에서 리튬이온이 이동하기 어려워진다. 마치 동맥경화처럼 전극 내 리튬이온이 축적되다가 충·방전을 거듭하면 결국 결함이 생기고 돌이킬 수 없는 기능 손실이 발생했다. 고로, 열에 의한 영향을 최소화할 수 있다면 용량이 높고 안정적인 동시에 오래 사용할 수 있는 차세대 배터리를 설계할 수 있을 것이다.

기술 개발

대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 이호춘 교수, 남대현 교수, 동국대학교 융합에너지신소재공학과 한영규 교수 공동연구팀이 리튬이온전지의 열화현상을 개선하고 수명이 오래갈 수 있도록 돕는 전해액 첨가제 기술을 개발했다. 전해액 첨가제는 양극과 음극에서 각각 따로 작용하는데, 새로 개발한 전해액 첨가제는 1%의 미량으로 양극 보호는 물론 음극 제어에도 강력한 효과를 보여, 전기차 상용화에 걸림돌로 작용한 열화현상을 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 전기차를 비롯한 대용량 배터리 수요가 늘면서 상용 리튬이온배터리의 전극을 고용량 소재인 니켈리치(Nichel rich, 니켈 함량 60% 이상) 소재로 대체하려는 연구가 활발하다. 하지만 이 소재는 고온에서 배터리 성능이 저하되는 열화현상이 발생하는 한계가 있다. 이에 최근에는 리튬염 첨가제를 이용해 다양한 양극 소재의 열화현상을 개선시킨다는 연구 결과가 보고됐지만, 니켈리치 소재의 문제점을 개선하는 신규 첨가제 연구는 활발히 이뤄지지 않았다. 이에 공동연구팀은 이런 문제를 극복하는 방안으로 새로운 전해액 첨가제(LFMP)를 제안했다. 이 첨가제는 고온에서 구동되는 고용량 니켈리치 양극은 물론, 흑연 음극을 보호하는 계면층을 각각 동시에 형성했다. 이 보호막 덕분에 60℃의 높은 온도에서 250회 반복 충·방전 실시에도 양극과 음극의 구조적인 안정성이 유지되고, 약 80일간 초기 충전전압을 그대로 유지하는 우수한 유지율을 보여줬다. 이에 대한 체계적인 원인 분석을 통해 양·음극 각각의 효과도 명확하게 입증했다. 새로 개발한 첨가제(LFMP)는 양극에서 화학적 반응성이 큰 활성산소의 일종인 초과산화물 라디칼의 생성을 억제해 기존 전해액의 분해를 제한하고 결과적으로 생성되는 가스 발생량을 제어하는 효과를 보였다. 음극에서는 전해액에 음극 보호막의 손상을 야기하는 독성물질인 오플루오린화 인(PF5)의 공격을 보호막의 안정성을 향상시킨다고 알려진 플루오린화 리튬(LiF)이 포함된 보호막이 효과적으로 제어함을 보여줬다. 이 같은 체계화된 원인 분석 시스템은 다양한 이차전지 원인 분석 과정에 활용될 것으로 기대된다.

방지

첫째, 배터리와 차량의 최적온도인 10~20도 유지를 위해 실내주차장을 이용하는 것이 좋다. 전기차뿐만 아니라 모든 리튬이온 배터리는 온도 민감도가 높다. 여름철에 고온인 상태로 계속 노출되어 있을 경우 배터리의 수명이 감소할 수 있다. 또한 겨울엔 배터리 효율이 떨어지게 된다. 가장 좋은 온도는 10~20도가 적당하다. 이를 유지하기 위해 실내주차를 추천한다. 둘째, 배터리를 방전하거나 과충전을 자제하고 충전량을 20~80%를 유지한다. 전기차 배터리를 관리하는 BMS가 효율적으로 배터리를 관리하지만 모든 2차전지는 방전하거나 과충전을 하면 배터리 용량에 악영향을 미쳐 배터리 수명이 급격히 떨어진다. 또한 100% 충전량보다는 80~90%정도에서 더 오래 쓸 수 있다. 그래서 계기판에 100%라고 표시되어 있어도 실제로는 약 90%정도가 충전된 상태라고 볼 수 있다. 셋째, 배터리 컨디션 최적화를 위해 월 1회 이상 완속충전 한다. 전기차에 탑재된 리듐 이온팩은 여러 개의 셀로 이루어져 있는데, 전기차를 사용하는 과정에서 각 셀별 불균형이 생길 수 있다. 이런 불균형 상태가 지속되어 특정 셀의 상태가 나빠지면, 배터리 성능 저하의 직접적인 원인이 된다. 완속충전 방식은 외부의 교류(AC) 전력을 직류 (DC)로 바꾸는 과정을 통해 배터리의 여러 개의 셀에 균일하게 충전(배터리 샐 밸런싱)해 최적의 배터리 성능을 내는 데 도움을 준다.

참고자료

• 오철 기자, 〈(전기차 라이프)전기차 핵심 부품 배터리 관리 팁〉, 《전기신문》, 2022-01-17
• 김영준 기자, 〈배터리 수명 줄이는 '열화과정' 원인 찾았다〉, 《전자신문》, 2020-08-05
• 강나리 기자, 〈리튬이온전지 열화현상 개선·수명 늘려〉, 《대구신문》, 2022-05-23

같이 보기

• 리튬이온 배터리

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