KIST, 화재ㆍ폭발 없는 전기차 배터리 생산 분석 기법 개발

▲상한 충전상태에서의 NCA양극 소재의 화학 조성에 따른 열안정성 차이 원인 규명 및 NCA 양극 소재에서 니켈과 알루미늄의 교환으로 인한 전지성능과 열안정성과의 상충적 관계. (사진제공=한국과학기술연구원)

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용해 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축하고, 전기 자동차용 하이-니켈계 양극 소재의 미세한 화학조성 변화에 따른 열분해 메커니즘의 변화를 규명했다고 3일 밝혔다.

배터리의 양극은 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심적인 부분이다. 양극 소재는 니켈ㆍ코발트ㆍ알루미늄(NCA) 또는 니켈ㆍ망간ㆍ코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합해 제작한다. 기업과 학계 연구진들은 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 새로운 구성 비율을 찾으려 노력하고 있다.

양극 소재에는 니켈 금속이 들어가는데, 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있고 배터리 단가를 낮추는 효과도 있다. 하지만 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아지는 치명적인 단점이 있다. 특히 최근 개발 중인 3세대 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있어 안정성 저하를 필수적으로 개선해야 한다.

배터리의 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에 기인한다. 연구진은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법을 활용해 온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 자세히 관찰ㆍ분석했다. 그 결과 NCA 양극 소재에서의 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리의 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명했다.

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 관찰했다. 실제 산화ㆍ환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중, 열 안정성을 저하할 수 있는 새로운 상(O1 Phase)을 형성하게 하고, 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성의 원인임을 밝혔다.