현재 사용되는 리튬 이온 전지의 충전 방식이 배터리의 성능을 저하시킬 수 있다는 국내 연구 결과가 나왔다.

14일 한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구센터 장원영 박사와 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 보편적인 리튬이온전지 충전방식으로 통용된 '정전류-정전압' 방식이 충전전압 안전 상한선에서는 배터리의 성능을 저하시킨다는 점을 밝혀냈다고 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼스'(Advanced Energy Materials) 최신 호에 백 커버(back cover) 표지 논문으로 게재됐다.

▲ NCM 양극재를 충전 전압 안전 상한선을 최대한 활용하여 고속 충, 방전 싸이클 시, 충전 방식 차이에 따른 전지 용량 감소 변화 및 내부구조 변화와의 상관관계 도식도.

정전류-정전압 방식이란 먼저 일정한 전류를 흘려주며 충전을 한 뒤 일정한 전압을 유지하는 구간을 삽입하는 방법이다.

그간 리튬 이온 전지에서 정전류-정전압 방식을 활용하면 최대한의 주행거리를 확보하고 고속 충전 시 발생하는 전지 소재의 입자 불균일성을 완화해 구조 불안정성을 낮추는 것으로 알려졌다.

공동연구팀이 전기 자동차용 하이-니켈계 양극 소재를 대상으로 충전전압 안전 상한선인 4.3V에서 고속 충·방전 사이클 실험을 진행해 투과전자현미경으로 정밀 분석을 하자 다른 결과가 나타났다.

충전 중 리튬 자리로 이동한 니켈이 방전 시에도 본래의 자리로 돌아가지 못하면서 리튬과 니켈 양이온의 '주기적 섞임 현상'(periodic cation-mixing)이 발생하는 등 배터리 성능 저하가 일어났다.

다만 이런 현상은 충전전압 안전 상한선에 충분한 여유를 준 4.1V로 고속 충·방전을 진행했을 때는 관찰되지 않았다.

KIST 전북분원 김승민 박사는 "충전 전압의 안전 상한선을 최대한 활용할 경우 현재 여러 디바이스와 애플리케이션에 적용되고 있는 정전류-정전압 충전 방식이 정전류 충전 방식에 비해 큰 장점이 없으며, 장기 사이클에서 오히려 전지 성능의 열화를 가속한다"고 연구 결과를 설명했다.

KIST 장원영 박사는 "최근 전 세계적으로 전기 자동차의 화재가 발생하고 있는데, 주행 성능을 높이기 위해 배터리의 안전 상한선을 최대한 활용하는 설계가 사고의 핵심 원인 중 하나로 지목되고 있다"며 "화재 위험 없이 긴 주행거리에서 배터리를 사용하기 위해서는 충·방전 방식 설계가 중요하다는 점을 확인했다"고 밝혔다.

아울러 연구팀은 이번 연구 결과에서 활용된 분석 기법과 새롭게 발견된 전기화학적 지식이 전지 및 전기자동차 회사에서 곧바로 활용 가능할 것이라고 밝혔다. 이 논문에는 LG화학에 재직 중인 박재열 KIST 박사후연구원과 삼성전자에 재직하는 조민지 KIST 학생연구원이 제1 저자로 이름을 올렸다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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