국내 연구진이 리튬이온전지의 화재·폭발 원인인 전극의 열적 불안정성 원인을 밝혀내고 이를 개선할 수 있는 기술적 토대를 마련했다. 리튬이온전지는 스마트폰 등 소형 모바일 기기에서 전기자동차까지 전력원으로 쓰이고 있다.

한국과학기술연구원(KIST)은 3일 에너지저장연구단 장원영 박사와 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사팀이 투과전자현미경을 이용해 전지 양극 소재의 열 안정성을 평가하는 실시간 분석 플랫폼을 구축하고 이를 통해 실제 전극의 구조적 불안정 원인을 찾아냈다고 밝혔다.

연구팀은 상업화된 리튬이온전지의 양극 소재인 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 성분 비율을 달리해 양극을 만들고, 충·방전 실험을 하면서 내부 구조 변화를 전자에너지 분광분석법과 전가회절 분석법 등 투과전자현미경 기법으로 관찰, 분석했다.

실험용 양극의 하나(NCA80)는 니켈 80%, 코발트 15%, 알루미늄 5%로 제작됐고, 다른 하나(NCA83)는 니켈 83.5%, 코발트 15%, 알루미늄 1.5%로 제작됐다. 니켈 함량을 높이면 충전용량을 늘릴 수 있으며, 니켈이 3.5% 더 많은 NCA83 전지는 충전용량이 NCA80보다 10% 이상 크다.

하지만 니켈은 외부 환경에 쉽게 반응하는 성질이 있어 함량을 높이면 전지 안정성이 낮아지는 단점이 있다. 현재 상용화된 리튬이온전지 양극에는 니켈이 60% 이상 사용되며, 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있어 안정성 향상 방안이 필요한 상황이다.

연구팀이 충·방전을 하면서 니켈 함량이 다른 두 전극의 결정구조와 구성성분의 화학적 변화 등을 분석한 결과, NCA83 전극은 완전 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 표면구조가 급격히 불안정해졌지만, NCA80에서는 이런 현상이 나타나지 않았다.

양극 소재에서 알루미늄 대비 니켈양을 늘리면 충전용량이 커지지만, 산화·환원 반응에 참여하지 않는 알루미늄양이 부족해지면서 전극의 구조적 안정을 유지해주는 코발트가 산소와 직접 반응해 충전 과정에서 열 안정성을 떨어뜨릴 수 있는 구조(CoO₂-type O1 phase)가 만들어진다는 게 연구팀은 분석이다.

연구팀은 배터리 화재는 주로 충전된 산화물계 양극과 발화성 액체 전해질의 발열 반응에서 기인한다며 이 연구는 니켈·코발트·알루미늄(NCA) 양극 소재의 화학조성에 따른 열적 안정성 저하 원인과 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 밝혔다는 데 의의가 있다고 설명했다.

장원영 박사는 "세계적으로 잇따르고 있는 전기자동차 화재는 발화 원인이 배터리인 경우가 많다"며 "이 연구에서 고성능 양극 소재를 개발할 때 열 안정성을 확보할 수 있는 화학 조성 설계의 중요성을 확인했다"고 밝혔다.

김승민 박사는 "발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성 확보는 전기자동차의 대중적 보급에 매우 중요하다"며 "이번에 개발한 고도 분석기법으로 향후 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악, 안정성이 확보된 고성능 양극 소재를 개발할 수 있을 것"이라고 말했다.

이 연구는 에너지 분야 국제학술지 '나노 에너지'(Nano Energy) 최신호에 게재될 예정이다.