기초과학연구원(IBS)이 스마트폰 등 배터리 수명을 저하시키는 원인 중 하나인 열화과정이 생기는 이유에 대해 규명했다.
IBS는 5일 나노입자연구단 현택환 단장과 성영은 부연구단장 연구팀은 고려대 유승호 교수팀과 함께 온도에 따른 리튬이온배터리 전극물질 구조 변화를 관측하고 배터리 열화과정의 근본 원인 규명에 성공했다고 밝혔다.
우선 연구진은 온도가 배터리 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 이산화티타늄을 전극(음극)으로 사용하는 리튬이온배터리를 제조했다.
이어 충·방전 시 온도를 달리하며 X선 회절 분석법을 통해 이산화티타늄 전극 구조 변화를 관측한 결과 구동 온도가 높아지면 상온에서 일어나지 않았던 새로운 리튬 저장 메커니즘이 진행됨을 밝혀넀다.
또 연구진이 전자현미경을 이용, 2차 상변화에 따은 전극 구조 변화를 관찰한 결과 전극 내 리튬이온이 축적되다가 충·방전을 거듭하면 이산화티타늄 격자 구조에 결함이 생겨 비가역적인 손실이 발생했다.
연구진은 배터리 안정성의 핵심인 열화과정의 원인을 분자 수준에서 규명한 만큼, 향후 차세대 배터리 설계에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대하고 있다.
유승호 교수는 “열 발생을 수반하는 에너지 장치의 배터리 설계에 있어 온도는 고려해야할 가장 중요한 요소 중 하나”라며 “온도가 높아지면 추가적인 상변화가 발생하며 배터리의 성능과 수명을 저하시키는 것을 확인했다”고 설명했다.
성영은 부연구단장은 “최근 전기자동차의 수요 급증과 함께 성능이 우수한 배터리 물질의 개발이 중요해졌다”며 “열에 의한 영향을 최소화할 수 있다면 용량이 높고 안정적인 동시에 오래 사용할 수 있는 차세대 배터리를 설계할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 화학분야 세계적 학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, IF 14.612)에 게재됐다.
