전기차용 양극소재로 널리 쓰이는 NCA (니켈·코발트·알루미늄)에서의 배터리 화재의 위험성을 줄여줄 수 있는 알루미늄 원소의 역할을 그린 예상도.[KIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 최근 전기자동차 배터리의 화재 사고가 끊이지 않고 있다. 전기 자동차의 배터리 팩의 경우 스마트폰 등의 소형 모바일 기기와 달리 수백 개의 배터리 셀로 구성되기 때문에 배터리의 불안정성은 인적, 물적 피해를 초래한다. 화재의 원인을 밝혀내려는 다양한 노력이 진행 중인 가운데 국내 연구진이 배터리의 열적 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법을 개발했다.

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

배터리의 양극은 충전용량, 즉 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심이다. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합해 제작하는데, 기업 및 학계 연구진들은 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 새로운 구성 비율을 찾으려 노력하고 있다.

양극소재에는 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있다. 또한 니켈은 함께 구성되는 코발트보다 상대적으로 저렴하여 전기자동차 보급에 필수적인 배터리 단가를 낮추는 효과도 있다. 하지만 니켈은 그 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아지는 치명적인 단점을 갖고 있다. 최근 개발 중인 1회 충전 시 500km이상 주행이 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 반응에서 기인하기 때문에, 연구진은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법을 활용해 온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 면밀히 관찰·분석했다. 그 결과 니켈·코발트·알루미늄 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. 이를 분석한 결과, 실제 산화/환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중, 열 안정성을 저하시킬 수 있는 새로운 상(Phase)을 형성하고, 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성의 원인임을 밝혔다.

장원영 박사는 “이번 연구를 통해 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다”고 말했다.

김승민 박사는 “발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 대중적 보급에 매우 중요한 역할을 한다”며 “이번에 개발한 고도 분석기법을 통해 향후에는 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악, 안정성이 확보된 고성능 양극소재를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노 에너지’ 최신호에 게재될 예정이다.

nbgkoo@heraldcorp.com