하이 니켈 양극재 기반 리튬 이온 배터리의 안전성 향상 및 전기차 신뢰성 향상 기대

국내 연구진이 전기차의 주요 동력원인 리튬 이온 배터리의 열폭주 메커니즘을 규명하고, 이를 개선할 핵심 기술을 확보했다.

‘열폭주’란 리튬 이온 배터리가 기계적/전기적으로 남용될 경우 내부 온도가 상승하며 이는 연쇄적인 부반응(여러 가지 반응이 함께 일어날 때에 주된 반응 외의 다른 반응)으로 이어져 제어할 수 없을 정도로 온도가 상승하고 더 나아가 폭발로 이어지는 상황을 말한다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 연세대학교 홍종섭 교수 연구팀이 에너지 밀도가 높아 전기차용 이차전지로 많이 사용되는 하이 니켈 양극재 기반 리튬 이온 배터리의 안전성 향상과 전기차의 신뢰성을 높일 원천기술을 개발했다고 밝혔다.

리튬 이온 배터리는 높은 효율로 전기차의 주행거리 향상을 이끌었지만, 기계적·전기적으로 남용될 경우 열폭주 발생 우려가 높다. 또한 열폭주 시 가스 발생을 동반한 여러 부반응이 일어나고 폭발로 이어져 운전자와 차량의 안전이 위협받고 있다.

하이 니켈계 양극재의 열적 안정성 저하는 열폭주의 주요 원인 중 하나이다. 하지만, 지금까지 배터리 양극에서의 부반응 연구는 니켈 함량이 80% 이상인 양극에서의 경우 활발하게 이뤄지지 못한 실정이다.

한편 열폭주 시 배터리 내부는 소재들이 물리적으로 접촉한 상태에서 다양한 부반응이 발생한다. 하지만, 지금까지는 이들 소재 간의 조합 실험 없이 각 전극에서 일어나는 현상을 개별적으로 고려한 한계가 있다.

연구팀은 리튬 이온 배터리를 제작/충전/분해하여 4가지 구성요소인 양극, 음극, 전해액, 분리막 별 소재 간 총 15가지 조합에 따른 열분해 실험을 진행해 하이 니켈계 양극재를 사용하는 리튬 이온 배터리의 열폭주 반응 메커니즘을 규명했다.

또한 배터리 구성 요소의 조합에 따른 열분해 실험 시 각기 다른 반응 온도와 발열량을 확인하고, 그에 따른 활성 물질 및 전해액의 감소를 반영해 온도별 열, 부피, 압력을 모사할 수 있는 신뢰도 높은 열폭주 반응 모델을 개발했다.

연구팀이 제안한 열폭주 반응 메커니즘과 열폭주 반응 모델은 다양한 비정상 상황에서 셀 성능 저하 및 열폭주를 예측할 수 있어 대면적 배터리 실험의 다양한 제약을 극복하고 배터리 안전성을 높이는 기술 발전을 촉진할 전망이다.

홍종섭 교수는 “본 연구를 통해 규명한 메커니즘과 열폭주 반응 모델을 이용해 다양한 비정상 상황에서 분리막 용융에 따른 셀 성능 저하 및 열폭주를 예측하는 데 적용 및 검증할 계획”이라며 “열폭주 문제 해결을 통해 전기차 안전성 향상 및 전기차 보급 확대 등 관련 시장 성장에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.