전기車 급가속시 배터리 성능 저하 원인 찾았다

KIST, 고출력 시 전극 소재 성능 저하 메커니즘 분석 플랫폼 구축

전기자동차가 급가속 등 고출력으로 주행할 때, 전지의 성능이 감소하는 현상 이미지/사진=KIST

최근 전기자동차가 주목받으면서 동력원인 리튬이온전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없고 고출력·장수명 전지 개발에 관심이 쏠린다. 전기차 리튬이온전지를 고출력으로 사용하면 전지가 급속도로 방전된다. 이런 조건에선 완속 충·방전 시 얻을 수 있는 전지의 용량보다 훨씬 줄어들게 되는 문제점이 발생한다. 특히 고출력의 충·방전 반복은 리튬전지 수명을 크게 감소시켜 전기차 시장 확대에 큰 걸림돌이 됐다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사로 이뤄진 공동연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 전기차 배터리 전극 소재 변형과 전기화학 성능 저하 정도를 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다고 4일 밝혔다.

우선 장 박사 연구팀은 다양한 주행환경에서 작동 오류 및 안전사고를 초래할 수 있는 전극 소재 변형을 분석했다. 연구진은 “다양한 투과전자현미경 분석기법을 활용, 마이크로·나노스케일 수준으로 전극 구조를 관찰·분석했다”고 설명했다. 이를 통해 급가속 등 빠른 속도의 방전 현상은 양극(+)으로 전달되는 리튬이온의 양을 제한하며, 이 결과로 불완전하게 회복된 전극 물질의 내부 변형이 결국 전지 용량 감소와 수명 단축으로 이어짐을 밝혔다. 특히 고전압으로 충·방전을 하면 이런 전극 구조의 불안정성이 더 높아짐을 확인했다.

연구진은 성능 저하로 이어지는 전극 내부구조에서 일어나는 미세한 초기변화를 다양한 범위에서 한눈에 확인할 수 있는 ‘전지 소재 성능 저하 분석 플랫폼’을 확립했고 전지 소재의 성능 저하 메커니즘도 규명했다고 밝혔다.

장 박사는 “중대형 이차전지 개발에 있어 전지의 성능 향상과 함께 안전성의 병행 확보가 무엇보다 중요하다”며 “이번 연구가 전극 소재 설계에 발판이 되길 바라며 향후 이번 분석 플랫폼을 이용해 전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 연구에 매진할 계획”이라고 말했다.