국내 연구진이 배터리 수명이 줄어드는 속도가 비정상적으로 빨라지는 가장 큰 원인인 배터리 열화를 빠르게 진단하는 기술을 개발했다.
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 이재영 지구·환경공학부 교수팀이 최진섭 인하대 화학공학과 교수팀과 공동으로 고속 충·방전 미분용량곡선(IC)-미분전압곡선(DV) 데이터를 이용해 리튬이온배터리 열화상태를 빠르게 진단하는 방법을 제시했다고 21일 밝혔다.
리튬이온전지는 반복되는 충·방전 반응 동안 용량을 떨어뜨리는 다양한 열화 요인이 발생한다. 각 요인이 서로 복잡하게 영향을 주기 때문에 명확한 구별은 어렵지만 리튬원 손실(LLI), 활물질 손실(LAM), 전도도 손실(CL) 크게 세 가지로 구분된다.
이러한 리튬이온배터리 열화 모드를 분석하기 위해 다양한 방법이 존재하지만 셀을 분해하지 않고 열화상태를 판단하는 방법 중 가장 널리 쓰이는 방법인 IC-DV는 유사개방회로의 준 평형상태에서 전압곡선을 얻어야 해 측정시간이 매우 오래 걸리는 문제가 있다.
연구팀은 흑연 음극과 LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 양극활물질로 0.25 암페어 아워(Ah)와 1Ah의 파우치형 셀을 제작하고, 이를 4용량(C) 및 6C 속도로 45℃ 고속 충·방전조건에서 열화시켰다. 사이클이 진행됨에 따라 얻어지는 전압 곡선을 전압에 대한 용량의 미분값인 dQ/dV, 용량에 대한 전압의 미분값인 dV/dQ로 변환해 양극과 음극 각각의 용량퇴화가 어느 쪽에서 더 우세하게 일어나는지 확인했다. 이후 유사개방회로 상태인 저속(0.1C) 데이터와 고속(4C, 6C)데이터의 전압곡선으로부터 LLI, LAM 수치를 비교 분석했다.
연구팀은 저속 IC-DV, 고속 IC-DV의 비교를 통해 C-rate와 LAM의 비선형성과 LLI와의 선형성을 확인했다. 열화된 셀의 용량은 C-rate의 변화에 덜 영향을 받았으며, 이는 열화셀의 활물질 열화로 인한 빨라진 확산 특성에 기인한다는 것을 규명했다.
음극 고체 전해질 분열 간기(SEI) 층의 성장에 비례하는 LLI를 고속 충방전 데이터로부터 외삽할 수 있음을 입증했다. 이번 연구는 제한된 시간 내에 고전류 사이클링에서 복잡한 열화모드를 분석하는 간략한 프로세스를 제공하며, 이는 온보드 배터리 관리시스템에서 유용할 수 있다.
이재영 교수는 “이번 연구는 향후 몇 년 안에 다량 발생할 것으로 예상되는 폐배터리의 재사용 기준을 마련하는데 중요한 기초자료로 활용될 수 있다”고 말했다.
최진섭 교수는 “짧은 시간 안에 셀의 건강상태를 간단히 확인할 수 있어 경제적으로나 친환경적으로나 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 덧붙였다.
이 교수(교신저자)와 최 교수(공동 교신저자)가 주도하고 서규원 연구원(제1저자)과 하재윤 박사과정 학생(공동 제1저자)이 수행한 이번 연구는 한국전력공사의 지원을 받아 이뤄졌다. 응용화학 분야의 국제학술지인 '저널 오브 에너지 케미스트리' 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
