배터리 균열 원인 규명 및 완화 전략 제시: 단결정 양극 소재의 새로운 이해

시카고 대학교 프리츠커 분자공학대학원(Pritzker School of Molecular Engineering), 시카고, IL

시카고 대학교 프리츠커 분자공학대학원과 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)에서 박사후 연구원으로 일하는 Jing Wang은, 전기차 및 기타 기술에 점점 더 많이 사용되는 배터리 유형에서 균열을 유발할 수 있는 나노스코픽 변형 응력(strain)의 근본 원인과 완화 방법을 밝혀낸 새로운 논문의 제1저자입니다. (이미지: John Zich)

배터리 수명 단축과 화재 위험의 주범, 균열 메커니즘 해명

아르곤 국립연구소와 시카고 대학교 프리츠커 분자공학대학원의 새로운 연구는 용량 저하, 수명 단축, 경우에 따라 화재로 이어지는 주요 배터리 미스터리를 해결했습니다.

Nature Nanotechnology에 발표된 논문에서 연구진은 전기차 및 기타 기술에 점점 더 널리 쓰이는 배터리 유형에서 균열을 유발할 수 있는 나노스코픽 변형 응력의 근본 원인과 완화 방법을 밝혀냈습니다.

"사회 전동화에는 모두의 기여가 필요합니다."라고 공동 교신저자인 Khalil Amine 아르곤 석좌 펠로우 겸 시카고 대학교 공동 교수는 말합니다. "사람들이 배터리의 안전성과 장수명을 신뢰하지 않으면, 배터리를 선택하지 않을 것입니다."

다결정에서 단결정으로의 전환, 그러나 성능은 기대에 미치지 못해

니켈 풍부 다결정 소재(PC-NMC)를 양극에 사용하는 리튬이온 배터리의 오랜 균열 문제 때문에, 최근 몇 년간 연구자들은 단결정 니켈 풍부 층상 산화물(SC-NMC)로 눈을 돌렸습니다. 하지만 단결정 소재가 항상 기존 다결정 소재와 비슷하거나 더 나은 성능을 보이는 것은 아니었습니다.

이번 연구는 Shirley Meng 교수의 에너지 저장 및 변환 연구실(Laboratory for Energy Storage and Conversion)과 Amine 박사의 첨단 배터리 기술 팀의 공동 지도 하에 박사과정 중이던 제1저자 Jing Wang이 수행했습니다. 연구는 근본적인 문제를 밝혀냈습니다: 다결정 양극에서 도출된 가정이 단결정 소재에 잘못 적용되고 있었던 것입니다.

"단결정 양극으로 전환하려 할 때, 다결정 양극과 비슷한 설계 원칙을 따르려 했습니다."라고 현재 시카고 대학교와 아르곤에서 박사후 연구원으로 있는 Wang은 말합니다. "우리 연구는 단결정 입자의 주요 열화 메커니즘이 다결정과 다르다는 것을 밝혀냈으며, 이는 다른 조성 요구사항으로 이어집니다."

"새로운 설계 전략뿐만 아니라, 단결정 양극 배터리가 잠재력을 완전히 발휘하려면 다른 소재도 필요합니다."라고 ESRA(Energy Storage Research Alliance) 소장이기도 한 Meng 교수는 말합니다. "아르곤에 기반을 둔 ESRA는 다양한 양극 소재의 열화 메커니즘을 더 잘 이해함으로써, 세계 에너지 수요를 충족할 고기능 양극 소재 제품군을 설계하는 데 도움을 줄 수 있습니다."

다결정 vs 단결정: 서로 다른 열화 메커니즘

다결정 양극 배터리가 충방전되면, 미세한 적층 1차 입자들이 팽창하고 수축합니다. 이 반복적인 팽창과 수축은 다결정을 분리하는 결정립계(grain boundary)를 넓힙니다. 마치 반복적인 동결과 해동이 도시 도로에 포트홀을 만드는 것과 유사합니다. "일반적으로 약 5~10%의 부피 팽창 또는 수축이 발생합니다."라고 Wang은 설명합니다. "팽창이나 수축이 탄성 한계를 초과하면 입자 균열이 발생합니다."

균열이 너무 벌어지면 전해질이 침투해 원치 않는 부반응과 산소 방출을 일으키며, 열폭주(thermal runaway) 위험 등 안전 우려를 낳습니다. 하지만 그런 극단적 상황을 제외하더라도, 일상적인 영향은 용량 저하입니다. 배터리가 시간이 지남에 따라 퇴색하여 처음과 같은 충전량을 제공하지 못하게 됩니다. 단결정 양극 소재는 그런 초기 결정립계가 없지만, 여전히 열화되었습니다.

"단결정 NMC 양극의 열화가 뚜렷한 기계적 파괴 모드에 의해 지배됨을 입증했습니다."라고 또 다른 공동 교신저자인 아르곤의 화학자 Tongchao Liu는 말합니다. "이전에 과소평가되었던 이 메커니즘을 식별함으로써, 소재 조성과 열화 경로 사이의 직접적 연관성을 확립했고, 이들 소재의 성능 저하 기원에 대한 더 깊은 통찰을 제공합니다."

첨단 분석 기술로 단결정 내부 변형 응력 포착

멀티스케일 싱크로트론 X-선 기술과 고해상도 투과전자현미경을 사용하여, 단결정 양극의 균열이 주로 반응 이질성(reaction heterogeneity)에 의해 촉진됨을 발견했습니다. 입자들이 서로 다른 속도로 반응하여, 다결정 설계처럼 여러 결정 사이에서가 아니라 단일 결정 내부에서 변형 응력이 발생했습니다.

코발트와 망간의 역할 재발견: 단결정에서는 정반대

다결정 양극은 니켈, 망간, 코발트의 균형 잡기입니다. 코발트는 균열을 유발하지만, 리튬/니켈 무질서(Li/Ni disorder)라는 별도 문제를 완화하기 위해 필요했습니다.

니켈-코발트 배터리(망간 없음)와 니켈-망간 배터리(코발트 없음)를 각각 제작해 테스트한 결과, 단결정 양극에서는 정반대 사실이 드러났습니다. 망간이 코발트보다 기계적으로 더 해로웠고, 코발트가 오히려 배터리 수명을 연장시켰습니다.

"하지만 코발트는 니켈이나 망간보다 비쌉니다."라고 Wang은 말합니다. "실험실 혁신을 실세계 제품으로 전환하기 위한 팀의 다음 단계는 코발트의 좋은 효과를 재현하면서 더 저렴한 소재를 찾는 것입니다."

"발전은 주기적으로 옵니다."라고 Amine 박사는 말합니다. "한 문제를 풀고, 다음 문제로 넘어갑니다. 이 공동 논문에 제시된 통찰이 미래 연구자들이 내일의 배터리를 위해 더 안전하고 오래가는 소재를 만드는 데 도움이 될 것입니다."

자세한 정보는 Khalil Amine(이메일: 스팸봇 보호 중, 자바스크립트 필요)에게 문의하세요.