화재, 폭발 위험 없는 전기차 배터리 생산을 위한 전극소재 열분석 기법 개발

등록일 : 2020-11-03 조회수 :4237

 

- 3세대 전기자동차용 안전한 소재 설계를 위한 발판 마련
- 전극 소재의 열분해 메커니즘 규명 및 실시간 분석 플랫폼 구축


최근 전기자동차 배터리의 화재 사고가 끊이지 않고 있다. 전기 자동차의 배터리 팩의 경우 스마트폰 등의 소형 모바일 기기와 달리 수백 개의 배터리 셀로 구성되기 때문에 배터리의 불안정성은 인적, 물적 피해를 초래하는 매우 중요한 문제이다. 화재의 원인을 밝혀내려는 다양한 노력이 진행 중인 가운데 국내 연구진이 배터리의 열적 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용하여 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축하고, 이를 통하여 전기 자동차용 하이-니켈계 양(+)극 소재의 미세한 화학조성의 변화에 따른 열분해 메커니즘의 변화를 규명했다고 밝혔다.

배터리의 양극은 충전용량, 즉 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심적인 부분이다. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합하여 제작하는데, 기업 및 학계 연구진들은 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 새로운 구성 비율을 찾으려 노력하고 있다.

양극소재에는 니켈 금속이 들어가는데, 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있다. 또한, 니켈은 함께 구성되는 코발트보다 상대적으로 저렴하여 전기자동차 보급에 필수적인 배터리 단가를 낮추는 효과도 있다. 하지만 니켈은 그 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아지는 치명적인 단점을 갖고 있다. 최근 개발 중인 3세대 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있어서, 이로 인한 안정성 저하를 필수적으로 개선해야 한다.

배터리의 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 기인하기 때문에, 연구진은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법
(전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용하여 온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 면밀히 관찰·분석하였다. 그 결과, NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극 소재에서의 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리의 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명할 수 있었다. 

KIST 연구진은 NCA 양극 소재에서의 알루미늄 대비 니켈의 증가는 용량의 향상을 보이지만, 실제 상한 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 열 안정성이 크게 저하되는 것을 관찰하였다. 이를 분석한 결과, 실제 산화/환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중, 열 안정성을 저하시킬 수 있는 새로운 상(O1 Phase)을 형성하게 하고, 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성의 원인임을 밝혔다.

KIST 장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 발화 원인이 배터리인 경우가 많았다. 본 연구를 통하여 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다.”고 밝혔다.

KIST 전북분원 김승민 박사는 “발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 대중적 보급에 매우 중요한 역할을 한다. 이번에 개발한 고도 분석기법을 통하여 향후에는 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악하여, 안정성이 확보된 고성능 양극소재를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ (IF:16.602, JCR 분야 상위 4.29%) 최신호에 게재될 예정이다.

 * (논문명)
Different Thermal Degradation Mechanisms: Role of Aluminum in Ni-rich Layered Cathode Materials
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 조은미 박사후연구원 

- (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 책임연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원승민 책임연구원

 


<그림설명>

 


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[대표 이미지] KIST 연구진이 전기차용 양극소재로 널리 쓰이는 NCA (니켈·코발트·알루미늄)에서의 배터리 화재의 위험성을 줄여줄 수 있는 알루미늄 원소의 역할을 그린 예상도


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[그림 1] 실제 상한 충전상태에서의 NCA양극 소재의 화학 조성에 따른 열안정성 차이 원인 규명

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[그림 2] NCA 양극 소재에서의 니켈과 알루미늄의 교환으로 인한 전지성능과 열안정성과의 상충적 관계