국내 연구진이 전기차의 주요 동력원인 리튬 이온 배터리의 열폭주[1] 메커니즘을 규명하고, 이를 개선할 핵심 기술을 확보했습니다.
전기 자동차 보급량이 증가함에 따라 동력원인 리튬 이온 배터리의 안전성 확보가 매우 중요해지는데요. 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높아 전기차용으로 많이 사용되어 오고 있으나, 여러 기계적/전기적 남용으로 인하여 배터리가 폭발하는 열폭주가 발생합니다. 이는 운전자와 차량 자체의 안전을 심각하게 위협 할 수밖에 없죠. 게다가, 하이 니켈계 양극재 사용으로 인한 소재의 열적 안정성 저하는 열폭주의 주요 원인 중 하나입니다.
열폭주 시에 과도한 열이 발생하면 내부에서 가스 발생을 동반한 여러 부반응이 발생하며 이는 배터리 온도를 상승시키고 폭발을 초래합니다. 현재 이러한 부반응에 관한 연구는 많이 진행됐지만, 니켈 함량이 80% 이상인 양극에서의 부반응에 관한 연구는 활발하게 이루어지지 않고 있는 점과 배터리 구성 요소 간의 체계적인 조합 실험 없이 각 전극에서 일어나는 현상을 개별적으로 고려하고 있는 등 여러 한계가 있습니다.
따라서 이러한 문제점들을 극복하기 위해 하이 니켈계 양극재를 사용하는 리튬 이온 배터리의 소재 간 조합 실험을 통한 열폭주 메커니즘 규명 및 신뢰성 높은 열폭주 반응 모델 개발 연구가 필요한 상황인데요.
최근, 한국연구재단은 홍종섭 교수(연세대학교) 연구팀이 에너지 밀도가 높아 전기차용 이차 전지로 많이 사용되는 하이 니켈 양극재 기반 리튬 이온 배터리의 안전성 향상과 전기차의 신뢰성을 높일 원천기술을 개발했다고 밝혔습니다.
연구팀은 리튬 이온 배터리를 제작/충전/분해하여 4가지 구성요소인 양극, 음극, 전해액, 분리막 별 소재 간 총 15가지 조합에 따른 열분해 실험을 진행해 하이 니켈계 양극재를 사용하는 리튬 이온 배터리의 열폭주 반응 메커니즘을 규명했는데요.
배터리 구성 요소의 조합에 따른 열분해 실험 시 각기 다른 반응 온도와 발열량을 확인하고, 그에 따른 활성 물질 및 전해액의 감소를 반영해 온도별 열, 부피, 압력을 모사할 수 있는 신뢰도 높은 열폭주 반응 모델 또한 개발했습니다.
연구팀이 제안한 열폭주 반응 메커니즘과 열폭주 반응 모델은 다양한 비정상 상황에서 셀 성능 저하 및 열폭주를 예측할 수 있어 대면적 배터리 실험의 다양한 제약을 극복하고 배터리 안전성을 높이는 기술 발전을 촉진할 전망입니다.
홍종섭 교수는 “본 연구를 통해 규명한 메커니즘과 열폭주 반응 모델을 이용해 다양한 비정상 상황에서 분리막 용융에 따른 셀 성능 저하 및 열폭주를 예측하는 데 적용 및 검증할 계획”이라며 “열폭주 문제 해결을 통해 전기차 안전성 향상 및 전기차 보급 확대 등 관련 시장 성장에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔습니다.
연구 결과는 반응 공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 7월 3일 게재됐습니다.
논문명: Reaction mechanism study and modeling of thermal runaway inside a high nickel-based lithium-ion battery through component combination analysis
