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서울대 연구진(교신저자 화학부 임종우 교수, 공동 제1저자 현혜정, 공동 제1저자 윤효정 박사, 김주리 책임, 김석구 연구위원)과 LG에너지솔루션은 공동연구를 통해 리튬 이차전지를 충전상태로 보관시 배터리의 성능저하 메커니즘 규명과 저장수명 연장을 위한 전략을 제시했다고 22일 밝혔다.
전기자동차를 운행하지 않을 때 배터리는 충전된 상태로 방치되며, 개인용 승용차를 기준으로 이러한 저장 기간의 비중은 배터리 총 수명의 90%가량을 차지하는 것으로 추산된다.
연구팀은 저장퇴화는 종종 기존의 통념과 상반되는 경향으로 진행되는데, 예를 들어 70%의 충전상태로 저장할 때 완전히 충전된 상태에서 저장할 때 보다 수명 초기 배터리의 가용 용량이 빠르게 감소하는 양상을 보인다고 설명했다.
공동연구팀은 리튬이차전지의 저장퇴화에서 관찰되는 수명 특이현상의 근본적 원인과 하이니켈 양극재의 구조 열화가 이에 미치는 역설적인 영향을 밝혔다.
본 연구진은 방사광 가속기 기반 재료 고도 분석 기법과 기체분석 결과를 통합함으로써 셀 내에 복잡하게 얽혀있는 열화현상이 셀 성능퇴화에 미치는 영향을 풀어냈다.
저장퇴화 후 파우치셀을 충전/방전하는 중 실시간 X선회절분석을 통해 양극과 음극의 리튬 함량을 동시에 분석함으로써 저장 이후 셀 용량 감소의 주된 원인을 밝혔다.
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연구결과 70% 충전상태에서 저장 시, 양극재 열화보다는 음극에서의 전해질 분해 반응이 셀의 용량 감소를 주도하는 것으로 드러났다. 100% 충전상태에서는 하이니켈 양극재의 구조 및 계면 불안정성이 양극재의 열화와 셀 내 기체 발생을 초래하였으나, 저장 초기에는 오히려 배터리의 용량 저하를 완화하는 역할을 하는 것이 밝혀졌다.
본 연구를 통해 저장 중 배터리의 충전상태에 의존하는 저장퇴화의 근원과 양극재의 열화기작을 밝히고, 저장퇴화를 주도하는 열화현상을 완화할 수 있는 배터리 제조 및 관리 전략을 체계적으로 제시했다.
이번 연구는 LG에너지솔루션과 연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 연구의 결과는 에너지 분야의 국제학술지 Energy & Environmental Science (영향력지수 32.5)에 8월 7일 자에 논문으로 게재됐다.
