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최근 전기차가 많이 생산되면서 배터리 폭발과 화재 사고도 증가하고 있음. 전기 자동차의 배터리 팩의 경우 스마트폰 등의 소형 모바일 기기와 달리 수백 개의 배터리 셀로 구성돼 있음. 배터리 불안정성은 인적, 물적 피해를 초래하는 매우 중요한 문제임.

화재 원인을 밝혀내려는 다양한 노력이 진행 중인 가운데 국내 연구팀이 배터리의 열적 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법을 개발했음.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용해 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축했음.

이를 통해 전기 자동차용 하이-니켈계 양(+)극 소재의 미세한 화학조성의 변화에 따른 열분해 메커니즘의 변화를 규명했음. ‘하이-니켈계 양극 소재’란 니켈 함량을 70~80% 이상으로 하는 하이 니켈(High Nichel) 양극 소재를 말함.

배터리의 양극은 충전용량, 즉 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심 부분임. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합해 만듦. 양극 소재에는 니켈 금속이 들어감. 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있음.

니켈은 함께 구성되는 코발트보다 상대적으로 값이 싸 전기자동차 보급에 중요한 배터리 단가를 낮추는 효과도 있음. 문제는 니켈의 경우 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있다는 데 있음.

배터리 안정성이 낮아지는 치명적 단점을 갖고 있음. 최근 개발 중인 3세대 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있음. 안정성 저하를 필수적으로 개선해야 함.

배터리 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 비롯됨. 연구팀은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법(전자에너지 분광 분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용해 온도 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 자세히 관찰·분석했음.

그 결과, NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극 소재에서의 화학조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명할 수 있었음.

KIST 연구팀은 NCA 양극 소재에서의 알루미늄 대비 니켈의 증가는 용량의 향상을 보이는데 실제 상한 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 열 안정성이 크게 떨어진다는 사실을 알아냈음.

이를 분석한 결과 실제 산화/환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중, 열 안정성을 떨어트릴 수 있는 새로운 상(O1 Phase)을 형성한다. 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성의 원인이었던 셈임.

장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있고 발화 원인이 배터리인 경우가 많았다”며 “이번 연구를 통해 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다”고 설명했음.

김승민 박사는 “발열 반응의 시작점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 대중적 보급에 매우 중요한 역할을 한다”며 “이번에 개발한 고도 분석기법을 통해 앞으로 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악하고 안정성이 확보된 고성능 양극 소재를 개발할 수 있을 것”이라고 말함.

본 연구 성과는 ‘Nano Energy’ (“Different Thermal Degradation Mechanisms: Role of Aluminum in Ni-rich Layered Cathode Materials”) 지에 게재됨.