초고속 충·방전 가능한

전기자동차용 배터리 신소재 개발

– 간단한 1회 공정으로 합성한 양극재로 열화 현상 억제 가능
– 2분 이내의 급속 충·방전을 300회 이상 실시해도 초기 성능 유지 

 

최근 친환경 전기자동차가 주목을 받으면서 동력원인 리튬이온전지의 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 것에 높은 관심이 모아졌다. 빠른 충전 속도가 가능하고 전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력, 장수명의 전지를 개발하는 데 관심이 모아지고 있다. 최근 국내 연구진이 고용량 및 고출력 특성의 새로운 양극(+)재를 개발하여 전기자동차(EVs) 배터리 성능을 향상시킨 결과를 발표해 주목받고 있다.

그림 1. 주사투과전자현미경 (HAADF-STEM)으로 관찰한 LMR 입자의 벌크 및 표면 원자 배열 구조 (층상형 구조의 벌크, 암염 구조의 표면)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 오시형 박사 연구팀이 서울대학교 최장욱 교수 연구진과의 공동연구를 통해 고용량 배터리의 양극재로 사용되는 과리튬망간 전이금속 산화물(LMR, Lithium- and Manganese-Rich nickel-cobalt-manganese oxide) 소재에 나노미터 크기의 고이온전도성 표면층을 생성하여 표면 열화 현상을 극복한 새로운 양극재 개발에 성공하였다. 차세대 양극재로 주목받고 있는 LMR 소재는 여타 상용화 양극재보다 에너지밀도가 높고 안전한 소재이다. 하지만 충·방전 간 결정구조가 불안정해지는 현상으로 인해 상용화 적용에는 한계를 가지고 있었다. 이러한 현상은 주로 양극재 입자의 표면에서 일어나므로 표면 특성의 제어는 LMR 소재의 상용화를 좌우하는 핵심요소이다.  

KIST 연구진은 LMR 양극재 표면을 안정화하고 나아가 빠른 리튬이온전달을 가능하게 하는 표면구조를 형성하는 새로운 기술을 개발하였다. 쉽고 간편한 한 번의 공정으로 이온전도도가 높은 지르코늄 혼합산화물을 LMR 활물질 표면에 1~2 나노미터 코팅층으로 형성하여, 표면에서 원활한 리튬이온의 확산이 가능하게 하고 소재의 열화 현상을 억제하는데 성공하였다. 본 연구를 통해 개발된 ‘수 나노미터 크기의 지르코늄 함유 혼합전이금속 산화층’이 생성된 양극재는 2분 이내의 고속 충·방전을 300회 이상 실시해도 초기의 우수한 특성을 그대로 유지하였다. 이는 고용량 및 고출력이 동시에 가능한 소재로서 전기자동차 배터리에 적용 시 충전 시간을 단축하고 주행거리를 향상시키며, 제조 공정을 간소화시킬 것이 기대되는 등 상용화에 근접한 기술로 평가되고 있다. 아울러, 본 연구에서 개발된 양극재 합성 기법 및 개선 방안은 차세대 전기차 및 중·대형 에너지저장시스템 (ESS, Energy Storage Systems)에 응용 가능한 다른 핵심 전극 소재 개발에도 새로운 해법을 제시할 것으로 전망된다.

그림 3. 새로운 LMR 양극의 (a) 충·방전 속도에 따른 전압곡선 및 (b) 수명 특성

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 나노기술 분야 국제 학술지인 ‘Nano Letters’(IF: 12.712, JCR 분야 상위 4.00%)에 11월 16일(목)자 온라인에 게재되었다.


* (논문명) Nanoscale zirconium-abundant surface layers on lithium- and manganese-rich layered oxides for   

              high-rate lithium-ion batteries
      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 안주현 박사
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 오시형 박사, 서울대학교 최장욱 교수

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전기자동차 급속 충전,

배터리 성능 저하의 원인 찾았다.  
급속 충·방전 중 수반되는 전극 소재 열화 메커니즘 분석 플랫폼 구축
전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 발판 마련

 

리튬이온전지(LIB, Lithium-ion battery)는 1990년대 소니(SONY)에 의해 최초로 상용화되어 현재 휴대폰, 노트북의 소형 전원에서 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage Systems)등의 대용량 전원까지 활용되는 추세다. 특히 최근 들어 전기자동차가 주목받으면서 동력원인 리튬전지의 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 것에 높은 관심이 모아졌다. 즉 빠른 충전 속도를 유지하면서도 전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력, 장수명의 전지를 개발하는 것이 핵심이다. 최근 국내 연구진이 리튬이온전지의 급속 충·방전 시 전극 소재의 변형, 즉 열화로 인한 전극 내부구조에서 일어나는 변화를 다양한 범위에서 한 눈에 확인할 수 있는 전지 소재의 열화 분석 플랫폼을 확립하고, 이를 통해 전지 소재의 열화 메커니즘을 규명하여 주목받고 있다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀은 최근 전기자동차용 고용량 양극(+) 소재의 후보물질로 각광받고 있는 3원계(Ni, Co, Mn) 양극 물질(NCM, LiNixCoyMnzO2) 소재의 충·방전 과정을 투과전자현미경(transmission electron microscopy)을 이용해 분석했다. 연구진은 충·방전 시 리튬이온의 이동속도 변화에 따른 전극소재의 열화 정도 차이를 각각 표면 및 벌크 구조별로 다중 길이 범위(multi length scale)에서 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다고 밝혔다.  

리튬이온전지는 충전 과정에서 리튬 이온이 내부의 전해질을 통해서 양극에서 음극으로 이동하게 된다. 리튬이온전지의 충전 속도를 급속으로 하게 되면, 리튬이온이 전극 및 전해질을 거쳐 전달되는 속도가 충분히 빠르지 못하여 전지의 용량과 수명이 급격히 감소되는 단점이 있다. 즉, 완속 충전량에 비해 훨씬 적은 용량만 충전할 수 있고, 또한 반복되는 급속 충전으로 리튬이온전지의 수명이 크게 감소하게 된다. 이러한 문제점은 전기자동차의 시장 확대에 큰 걸림돌이 되어왔다. 현재까지는 주로 전지의 성능 지표를 높이기 위해 전지 용량과 직결되어 있는 전극 소재의 벌크 구조 분석에 대한 연구가 집중되어 왔다. 하지만 KIST 연구진은 실제로 유기용매 전해액과 맞닿아 있는 전극의 표면에서 전지의 열화나 열 폭주 현상이 시작하는 것에 주목하고, 수년간의 연구를 통해 배터리의 전극 표면을 효과적으로 분석할 수 있는 전자현미경(나노스케일) 기반 전지 소재 열화 분석 플랫폼을 구축했다.

<그림 1>NCM 양극재의 니켈 함량이 각각 40% 및 80% 일때의 완속 및 100배 고속 방전 시 전지 용량 감소 변화 및 고속 방전 시 각 소재별 표면 및 벌크 내부 구조 변화 도식도

연구진은 다양한 투과전자현미경 분석기법(고 분해능 이미징 기법, 전자에너지 분광 분석법, 전자 회절 분석법 등)을 활용하여 전이 금속 간 함량 차이를 가지는 3원계 양극소재(NCM)에서 급속 충·방전 시 발생하는 열화 메카니즘을 규명하였다. 충전 속도에 따라 전극 물질 표면에서의 내부구조 변형의 정도가 다르게 나타나고, 내부구조 변형의 회복 정도 역시 방전 속도에 따라 다르게 나타나는 것을 확인하였다. 즉, 불완전하게 회복된 전극 물질의 내부 변형이 결국 전지 용량의 감소와 수명 단축을 야기한다는 것이다. KIST 장원영 박사는 “전지의 안전성이 무엇보다도 강조되는 중대형 이차전지 개발에 있어서 이번 연구가 전극 소재의 설계 인자를 찾아가는 고도 분석 연구의 발판이 되길 바란다.”고 말하며, “특히 이번 분석 플랫폼을 통해 전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 연구에 매진할 계획이다.”고 밝혔다.
  
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 ‘The Journal of Physical Chemistry Letters’(IF:9.353, JCR 분야 상위 2.78%)에 11월 8일(수) 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) Structural Evolution of LixNiyMnzCo1-y-zO2 Cathode Materials during High-Rate Charge and Discharge
    - (제1저자)  한국과학기술연구원 황수연 박사 (박사후연구원, 現 BNL 연구원)
    - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 박사, 김승민 박사

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