UNIST, ‘배터리 발화 원인’ 양극 내 산소 발생 현상 규명

코발트 함량 높을수록 산소 발생 줄어…새 설계 원리 제시

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 정성균 교수 연구팀이 고온 작동 환경에서의 배터리 양극 소재 미세 구조 변화와 산소 발생 간 상관관계를 규명했다고 30일 밝혔다.

연구팀은 이를 통해 배터리 양극 소재 내 코발트 성분 함량을 높여 산소 발생을 줄이는 새로운 설계 원리를 제시했다.

코발트가 많을수록 산소 발생의 주요 원인이 되는 암염 구조로의 상전이를 늦출 수 있기 때문이다.

연구팀에 따르면 배터리 양극에서 나오는 산소는 배터리 발화와 폭발의 주요 원인이다.

산소와 유기계 배터리 전해질이 만날 경우 고온의 작동 환경과 맞물려 연소 반응이 일어날 수 있다.

이 때문에 안전한 배터리 개발을 위해서는 내부에서 산소가 어떻게 발생하고, 얼마나 발생하는지를 알아내는 것이 중요하다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 배터리 온도를 높여가면서 내부 원자 배열 구조 변화와 산소 발생 현상을 실시간으로 분석했다.

중성자회절 분석 기법과 정확한 산소 발생량 분석을 위해 기체 질량 분석법을 썼다.

중성자회절 분석은 중성자 산란 길이가 원소마다 서로 달라 배터리를 구성하는 전이금속을 쉽게 구분할 수 있는 장점이 있으며, 결정 구조 내 리튬양을 정확히 측정할 수 있다.

실험 결과 양극 소재 내 코발트가 전이금속층에서 리튬층으로 이동하면서 스피넬 구조로 바뀌는 상전이가 발생하고, 이때 전극에서 산소가 일부 발생하는 것을 확인했다.

양극 소재는 전이금속층과 리튬층이 겹겹이 쌓인 층상 형태이며, 상전이란 소재 내 원자들의 배열 모양과 위치가 바뀌는 현상이다.

온도가 더 높아지면서 스피넬 구조가 암염 구조로 바뀔 때 산소가 대량으로 발생했다.

연구팀은 실시간 중성자회절 분석을 통해 코발트가 이러한 암염 구조로의 상전이를 지연시킬 수 있음을 확인했다.

정성균 교수는 “이번 연구 결과는 앞으로 안전한 배터리를 위한 양극 소재 조성설계에 대한 가이드라인을 제시해줄 것”이라고 말했다.

연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'(Advanced Functional Materials)에 15일 자로 온라인 공개됐으며, 정식 출판을 앞두고 있다.

연구는 한국원자력연구원 김형섭 박사와 서울대 재료공학부 강기석 교수팀이 함께했으며, 과학기술정보통신부 방사선기술개발사업과 기초연구사업, 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 이뤄졌다.

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