인산철 배터리 고속 방전하면 성능 떨어지는 원인 찾았다

서울대 연구진, 인산철 배터리 내외부 X선 현미경 관측

전기차가 고속주행 하거나 노트북PC에서 고사양 게임을 돌릴 때와 같이 에너지를 단시간에 빠르게 출력할 때 저항과 에너지 손실이 커지는 것이 리튬이온 배터리의 약점 중 하나다.

3일 서울대에 따르면 이 학교 화학과 임종우 교수와 MIT 공동 연구진이 충방전 중 인산철 배터리 내외부 리튬 분포를 실시간으로 관측했다. 이를 바탕으로 충방전 속도에 따라 바뀌는 리튬 이온 경로가 고속 방전 중 출력 저하의 원인임도 밝혔다.

인산철 배터리처럼 전극 내에서 상이 분리되는 상 분리 전극을 쓰는 경우 고속 방전 중 성능 저하가 더욱 심하다. 하지만 전극 내 리튬 이온 분포가 불균일하고 전극 입자 크기가 머리카락의 100분의 1 수준이라 원인이 되는 리튬이온의 분포와 움직임을 파악하기 어렵다.

연구진은 방사광 가속기 기반 실시간 X선 현미경을 활용, 1um 이하 크기의 인산철 배터리 입자 표면 및 내부에서 충방전 중 시시각각 변화하는 리튬이온의 분포와 입자 내 전류밀도를 나노미터 단위로 관측했다.

(자료=서울대)

이를 통해 충·방전 속도에 따라 전극 입자의 표면과 내부에서 리튬이 이동하는 경로가 완전히 바뀐다는 사실을 밝혔다. 특히 방전 속도가 높아짐에 따라 입자의 표면에 리튬이 많은 상(phase)이 더욱 많이 형성되는데, 이것이 리튬 이온을 전달할 때 더 높은 저항을 만들어 내고 고속 방전에서 출력을 저하시키는 원인임을 규명했다.

표면상 형성에 대한 연구를 통해 이를 정확히 제어할 수 있게 되면 전극의 고속 충방전 성을 개선, 출력이 대폭 향상된 인산철 전지를 만들 수 있을 것으로 연구진은 기대했다.

이 연구는 학술지 '에너지 & 인바이런먼탈 사이언스(Energy & Environmental Science)'에 최근 온라인 게재됐으며, 8월호 저널의 표지로 선정되어 출판 예정이다.