전기차 배터리 성능 저하 원인 찾았다
2022.08.11
국내 연구진이 전기차 배터리 충방전 방식에 따른 배터리 수명과 최적 성능의 상관관계를 확인하고 최근에 활용되는 배터리 양극 소재의 용량이 저하되는 원리를 규명했다. 전기차 배터리 성능 저하 원인을 찾은 것으로 배터리 성능을 최적으로 유지하는 방안을 찾는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
한국과학기술연구원(KIST)은 장원영 에너지저장연구센터 책임연구원과 김승민 전북분원 탄소융합소재연구센터 책임연구원 공동연구팀이 투과 전자현미경 정밀 분석으로 그동안 통상적으로 활용되는 충전방식인 정전류-정전압 방식이 조건에 따라 배터리의 성능 저하 원인이 될 수 있다는 사실을 밝혀냈다고 11일 밝혔다.
전기차의 주행거리를 늘리려면 리튬 이온전지의 충전 전압을 높여 에너지 밀도를 극대화하는 방안이 필요하다. 하지만 안전성 확보를 위한 충전 전압의 ‘안전 상한선’이 존재한다. 상한선을 넘어선 경우 전극 물질 내에 되돌릴 수 없는 구조적, 화학적 변화가 발생해 전지 수명 단축, 열 폭주(Thermal runaway) 현상이 발생해 폭발까지 이어질 수 있다.
리튬 이온전지는 충전시 충전 전압의 안전 상한선을 유지하면서 충전 용량을 최대한 확보하기 위해 주로 정전류-정전압 방식을 활용한다. 먼저 일정한 전류를 흘려주는 방식(정전류)으로 충전한 이후 일정한 전압을 유지하는 구간을 삽입하는 방식(정전압)이다. 이는 최대한의 주행거리를 확보하고 고속 충전시 발생하는 전지 소재의 입자 불균일성을 완화해 구조 불안정성을 낮추는 역할을 한다고 알려져 있다.
연구진은 전기차용 하이-니켈계 양극 소재를 대상으로 충전전압 안전 상한선인 4.3볼트(V)에서 고속 충방전 사이클 실험을 진행했다. 이 경우 정전류-정전압 방식이 정전류 충전 방식에 비해 성능 저하가 빠르게 나타나는 현상에 주목했다. 연구진은 투과 전자현미경을 활용해 정전류-정전압 충전 과정에서 배터리 성능 저하를 일으키는 주된 원인인 니켈 부반응이 표준 위주로 집중돼 불균일하게 일어난다는 사실을 확인했다.
또 리튬 자리로 이동한 니켈이 방전 시에도 본래의 자리로 돌아가지 못해 리튬과 니켈 양이온의 주기적 섞임 현상이 발생했고 이로 인해 심각한 배터리 성능 저하가 나타나는 것을 확인했다. 이러한 성능 열화현상은 충전전압 안전 상한선에 충분한 여유를 준 4.1V로 고속 충방전을 진행했을 때는 관찰되지 않았다.
정전류-정전압 방식은 하이-니켈계 양극 소재의 경우 충전 전압 안전 상한선 대비 낮은 전압으로 충전될 때 효율적이며 충전전압 안전 상한선을 최대한 활용해 충전을 진행할 경우 오히려 배터리의 성능저하를 유도할 수 있다는 사실을 확인한 것이다.
장원영 책임연구원은 “최근 전기차 화재가 잇따라 발생하고 있으며 주행 성능을 높이기 위해 배터리의 안전 상한선을 최대한 활용하는 설계가 사고의 핵심 원인 중 하나로 지목되고 있다”며 “배터리를 화재 위험 없이 긴 주행거리를 사용하기 위해서는 고성능 전극 소재 개발 이외에 배터리 충방전 방식 설계 또한 중요하다는 점을 이번 연구를 통해 확인했다”고 밝혔다.
