실제 상한 충전상태에서의 NCA양극 소재의 화학 조성에 따른 열안정성 차이 원인 규명 모식도./KIST 제공
한국과학기술연구원(KIST) 장원영 에너지저장연구단 박사, 김승민 전북분원 탄소융합소재연구센터 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용해 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축해 전기 자동차용 배터리의 양극 소재의 열분해 과정을 규명했다.
발열로 인한 배터리의 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법인 만큼 미래 배터리의 안전성을 높이는 길을 열었다는 평가를 받고 있다.
배터리의 양극은 충전용량·전기자동차의 주행거리와 관련 있다.
양극 소재는 주로 니켈·코발트·알루미늄(Ni·Co·Al, NCA) 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합하여 제작하고 있다.
양극에 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있다.
또 코발트보다 상대적으로 저렴해 배터리 단가를 낮추는 효과도 있다.
하지만 충전용량이 큰 대신 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아지는 단점을 갖고 있다.
니켈 함량이 높아져 안정성이 낮아지면 화재를 비롯한 각종 사고로 이어질 수 있기 때문에 개선의 필요성이 대두된다.
배터리의 화재는 주로 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 발생한다.
연구팀은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법(전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용했다.
온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 면밀히 관찰·분석했다.
연구팀은 NCA 양극 소재에서의 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리의 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명했다.
KIST 연구진이 전기차용 양극소재로 널리 쓰이는 NCA(니켈·코발트·알루미늄)에서의 배터리 화재의 위험성을 줄여줄 수 있는 알루미늄 원소의 역할을 그린 예상도./KIST 제공
KIST 연구진은 NCA 양극 소재에서의 알루미늄 대비 니켈의 증가는 용량의 향상을 보이지만, 충전상태에서 열 안정성이 크게 저하되는 것을 관찰했다.
이를 토대로 실제 산화·환원 반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 열 안정성을 저하할 수 있는 새로운 상(O1 Phase)이 생김을 확인했다.
이 새로운 상태의 표면 구조가 열 안정성을 떨어뜨리는 원인임을 밝혔다.
장원영 박사는 "이번 연구를 통해 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다"고 밝혔다.
김승민 박사는 "발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 보급에 매우 중요하다"며 "향후에는 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악해 안정성이 확보된 고성능 양극 소재를 개발할 수 있을 것"이라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '나노 에너지'(Nano Energy)에 게재될 예정이다.
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