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첨가제는 리튬이온 배터리 전극 성능을 개선하고, 배터리 성능을 향상시키는 효과적인 방법에 속한다는 평가를 받고 있음.

중국 푸졘(福建, 복건) 사범 대학교의 Yongcong Huang, Jiaxin Li, Zhigao Huang 교수 연구팀은 최근 NCM523 전극 속에 소량의 Al2O3과 그래핀을 첨가하여 배터리 대(大) 전류 방전 과정에서 생성되는 열을 뚜렷이 감소시키고 배터리의 열 제어 불능 리스크를 감소시켰음.

연구팀이 실험 과정에서 사용한 양극과 음극 배합 방법을 보면, 양극 활성 물질인 NCM523 소재를 사용하고, 활성 물질의 도포량은 30mg/cm2 수준으로, 음극은 흑연을 사용하고, 도포량은 17mg/cm2 수준으로, N/P 비율은 1.1로 하였는데, 이런 전극 제조 규격은 303450의 소프트 백 배터리 규격에 속하며, 전해질은 1M LiPF 6이고, 용매 배합은 EC : EMC : DMC=1 : 1 : 1임.

연구팀은 Ar 이온 침식 방식을 통해 서로 다른 심층적인 양극 인터페이스 마스크 팩의 성분 정보를 취득하고 부식 깊이는 0, 3.24, 6.48, 9.72nm에 달한다는 점을 발견하였으며, 872.3eV 위치에 있는 Ni2p1/2 특징 피크는 부식 깊이가 증가됨에 따라 점점 더 강해지는 것으로 나타남. 서로 다른 점은 산화알루미늄, 그래핀을 섞은 전극 Ni2p1/2 특징 피크 강도는 표면층에서 가장 높은 수준에 도달하는데 반해 대조 그룹의 NCM523 소재는 부식 깊이가 6.48nm 이상 수준에 도달할 때 최대 강도 수준에 도달하는 것으로 나타남. 이는 산화알루미늄, 그래핀을 섞은 NCM523 전극이 비교적 얇은 인터페이스 층을 보유하고 있다는 점을 의미함.

연구팀은 배터리가 방전 과정에서 열을 생성시키는 상황에 대한 연구를 실행하고, 네 가지 배터리가 5C 배율 하에서의 방전에서 다른 방전 심층 정도에 도달할 때의 배터리 표면 온도 분포를 분석함. 그 결과, 배터리 표면에서의 온도 분포가 상대적으로 비교적 균일할 때 배터리의 제조 공법이 비교적 이상적인 수준에 도달하고, 배터리는 뚜렷한 제조 결함을 보유하고 있지 않는다는 결론을 도출함.

연구팀은 네 가지 배터리가 방전 과정에서 나타내는 온도 변화에 대한 분석을 실행하고, 방전이 100% DOD 수준에 도달할 때 NCM, NCM-Gs, NCM-Al2O3과 NCM-Al2O3&Gs 배터리의 표면 평균 온도는 각각 40.8, 38.1, 39.7과 38.6℃ 수준에 도달한다는 점을 발견함. 이는 그래핀 전기 전도제의 추가는 NCM 전극의 전자 전도 비율을 효과적으로 향상시키고, 방전 과정 속에서의 극화(極化) 현상을 감소시키며, 배터리의 열 생성을 감소시킨다는 점을 의미함.

연구팀은 천자(puncture) 실험을 통해 만전(full charge) 상태 배터리의 안전성을 검출하였는데 검출 결과 일반적인 NCM 배터리는 60s 천자(puncture)를 실행한 후, 배터리가 최고 80.3℃ 온도까지 상승되고, 약 350s 이후 온도가 46℃까지 떨어졌으며, Al2O3&Gs를 배터리에 첨가하면 85s 이후 최고 온도는 70℃ 수준에 도달하고, 약 350s 후 배터리 온도는 40℃까지 낮아지는 것으로 나타남. 이는 Al2O3&Gs를 첨가한 배터리는 열 생성 속도가 더욱 늦어지고, 배터리의 온도 상승폭은 더욱 작아지기 때문에 전체 배터리 열 안정성은 더욱 이상적인 수준에 도달한다는 점을 의미함.

이번 연구를 실행하는 과정에서 NCM523 전극 속에 부분적인 산화알루미늄과 그래핀을 추가하여 인터페이스 부(副) 반응을 효과적으로 감소시키고, 방전 과정 속에서의 열 생성을 감소시키며, 배터리의 안전성을 향상시킴.

본 연구 성과는 ACS Appl. Energy Mater. ("Pathways toward Improved Performance of NCM523 Pouch Cell via Incorporating Low-Cost Al2O3 and Graphene")에 게재됨.