충전 없이 웨어러블 기기 사용할 원천기술 개발

- 설탕을 녹여 스펀지 형태의 지지체 개발, 열전소자 유연성 확보 - 성능저하 문제 해결하여 고효율 유연 열전소자 생산 가능성 열려 스마트 밴드 등 각종 웨어러블 전자기기들이 속속들이 개발, 상용화되고 있지만, 정기적으로 충전이 필요하다는 커다란 불편함이 존재한다. 이러한 불편함을 극복할 새로운 기술을 국내 연구진이 개발해 화제다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 복합소재기술연구소 김진상 분원장 연구팀이 체온을 이용해 반영구적으로 전기를 생산할 수 있는 고효율 유연 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 개발한 소자는 유연한 실리콘 화합물 소재(PDMS)를 스펀지 형태로 제작하여 열 차단 능력을 확보했고 이를 뼈대로 활용 소자 성능을 획기적으로 향상하는 데 성공했다. 열전소자는 소자 양끝단의 온도 차를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 전자소자로 자동차의 엔진 열이나 발전소의 폐열 등에서 전기를 생산하는 친환경 에너지 발전기로 활용된다. 반대로 전기를 공급하면 소자의 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 열이 발생하는 데 이를 이용하여 소형 냉장고, 자동차 냉방 시트, 반도체 장치 등 온도제어 시스템에서도 사용되고 있다. 일반적으로 사용되고 있는 열전소자는 딱딱한 세라믹 기판이 열전반도체를 받치고 있어 굴곡이 있는 곳에 활용하기 어렵지만, 유연 열전소자는 세라믹 기판이 없이 유연한 고분자 소재가 열전반도체를 감싸고 있어 쉽게 구부러뜨릴 수 있다. 이를 인체에 부착하면 반영구적으로 전기를 생산할 수 있고, 반대로 휴대용 에어컨으로 활용할 수 있어 인체 부착 전자기기 분야에서 주목을 받아왔다. 하지만 유연한 기판인 고분자 소재는 열전도도가 높아 소재 양단의 열을 차단하지 못하여 단단한 기판의 상용 열전소자만큼 성능을 발휘하지 못한다는 치명적인 문제점이 있었다. KIST 연구진은 각설탕 위에 실리콘 화합물 액체를 부어 굳힌 후, 물에 설탕을 녹여 없애 스펀지 형태의 고분자 소재를 제작했다. 그 결과 원래 설탕이 있던 자리는 미세한 공기 방울로 변하여 열 차단 능력이 기존 소재 대비 50% 이상 높아져 열전달을 효과적으로 차단할 수 있게 되었는데 이 기판을 열전소자를 지지하는 뼈대로 사용하여 유연하면서도 성능을 떨어뜨리지 않는 유연 열전소자를 개발했다. 연구진이 개발한 유연 열전소자는 기존 유연 열전소자 대비 20% 이상 우수한 성능을 보였고, 이는 기존 상용화된 소자와 동일한 수준이다. 연구진은 개발한 유연 소자를 활용하여 체온으로 LED를 점등하는 데 성공했다. KIST 전북분원 김진상 분원장은 “각설탕에 용액을 부어 굳히기만 하면 되는 값싸고 간단한 공정을 통해 유연 열전소자의 효율을 상용 열전소자 수준으로 끌어올렸다.”라며 “충분한 양의 열전소자를 활용하면 체온만으로 스마트 밴드 구동도 충분히 가능할 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업과 한국연구재단 미래소재디스커버리사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 저널인 ‘Nano Energy’(IF : 16.602, JCR 분야 상위 4.299%)의 3월 호에 게재됐다. (논문명) Porous organic filler for high efficiency of flexible thermoelectric generator - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정성진 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 신준철 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진상 책임연구원 <그림설명> [그림1] 대표이미지 [그림 2] 스펀지 형태의 PDMS를 유연 열전소자의 기판으로 활용하면 기존 유연 열전소자 대비 높은 유연성을 가지면서도 우수한 발전 성능을 나타낼 수 있다. [그림 3] 체온과 대기와의 온도 차를 이용하여 전기를 생산하고 이를 전자기기를 동작하는 데 활용할 수 있다. 해당 그림에서는 적색 LED를 동작시켰다.

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- 설탕을 녹여 스펀지 형태의 지지체 개발, 열전소자 유연성 확보 - 성능저하 문제 해결하여 고효율 유연 열전소자 생산 가능성 열려 스마트 밴드 등 각종 웨어러블 전자기기들이 속속들이 개발, 상용화되고 있지만, 정기적으로 충전이 필요하다는 커다란 불편함이 존재한다. 이러한 불편함을 극복할 새로운 기술을 국내 연구진이 개발해 화제다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 복합소재기술연구소 김진상 분원장 연구팀이 체온을 이용해 반영구적으로 전기를 생산할 수 있는 고효율 유연 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 개발한 소자는 유연한 실리콘 화합물 소재(PDMS)를 스펀지 형태로 제작하여 열 차단 능력을 확보했고 이를 뼈대로 활용 소자 성능을 획기적으로 향상하는 데 성공했다. 열전소자는 소자 양끝단의 온도 차를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 전자소자로 자동차의 엔진 열이나 발전소의 폐열 등에서 전기를 생산하는 친환경 에너지 발전기로 활용된다. 반대로 전기를 공급하면 소자의 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 열이 발생하는 데 이를 이용하여 소형 냉장고, 자동차 냉방 시트, 반도체 장치 등 온도제어 시스템에서도 사용되고 있다. 일반적으로 사용되고 있는 열전소자는 딱딱한 세라믹 기판이 열전반도체를 받치고 있어 굴곡이 있는 곳에 활용하기 어렵지만, 유연 열전소자는 세라믹 기판이 없이 유연한 고분자 소재가 열전반도체를 감싸고 있어 쉽게 구부러뜨릴 수 있다. 이를 인체에 부착하면 반영구적으로 전기를 생산할 수 있고, 반대로 휴대용 에어컨으로 활용할 수 있어 인체 부착 전자기기 분야에서 주목을 받아왔다. 하지만 유연한 기판인 고분자 소재는 열전도도가 높아 소재 양단의 열을 차단하지 못하여 단단한 기판의 상용 열전소자만큼 성능을 발휘하지 못한다는 치명적인 문제점이 있었다. KIST 연구진은 각설탕 위에 실리콘 화합물 액체를 부어 굳힌 후, 물에 설탕을 녹여 없애 스펀지 형태의 고분자 소재를 제작했다. 그 결과 원래 설탕이 있던 자리는 미세한 공기 방울로 변하여 열 차단 능력이 기존 소재 대비 50% 이상 높아져 열전달을 효과적으로 차단할 수 있게 되었는데 이 기판을 열전소자를 지지하는 뼈대로 사용하여 유연하면서도 성능을 떨어뜨리지 않는 유연 열전소자를 개발했다. 연구진이 개발한 유연 열전소자는 기존 유연 열전소자 대비 20% 이상 우수한 성능을 보였고, 이는 기존 상용화된 소자와 동일한 수준이다. 연구진은 개발한 유연 소자를 활용하여 체온으로 LED를 점등하는 데 성공했다. KIST 전북분원 김진상 분원장은 “각설탕에 용액을 부어 굳히기만 하면 되는 값싸고 간단한 공정을 통해 유연 열전소자의 효율을 상용 열전소자 수준으로 끌어올렸다.”라며 “충분한 양의 열전소자를 활용하면 체온만으로 스마트 밴드 구동도 충분히 가능할 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업과 한국연구재단 미래소재디스커버리사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 저널인 ‘Nano Energy’(IF : 16.602, JCR 분야 상위 4.299%)의 3월 호에 게재됐다. (논문명) Porous organic filler for high efficiency of flexible thermoelectric generator - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정성진 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 신준철 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진상 책임연구원 <그림설명> [그림1] 대표이미지 [그림 2] 스펀지 형태의 PDMS를 유연 열전소자의 기판으로 활용하면 기존 유연 열전소자 대비 높은 유연성을 가지면서도 우수한 발전 성능을 나타낼 수 있다. [그림 3] 체온과 대기와의 온도 차를 이용하여 전기를 생산하고 이를 전자기기를 동작하는 데 활용할 수 있다. 해당 그림에서는 적색 LED를 동작시켰다.

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충전 없이 웨어러블 기기 사용할 원천기술 개발

- 설탕을 녹여 스펀지 형태의 지지체 개발, 열전소자 유연성 확보 - 성능저하 문제 해결하여 고효율 유연 열전소자 생산 가능성 열려 스마트 밴드 등 각종 웨어러블 전자기기들이 속속들이 개발, 상용화되고 있지만, 정기적으로 충전이 필요하다는 커다란 불편함이 존재한다. 이러한 불편함을 극복할 새로운 기술을 국내 연구진이 개발해 화제다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 복합소재기술연구소 김진상 분원장 연구팀이 체온을 이용해 반영구적으로 전기를 생산할 수 있는 고효율 유연 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 개발한 소자는 유연한 실리콘 화합물 소재(PDMS)를 스펀지 형태로 제작하여 열 차단 능력을 확보했고 이를 뼈대로 활용 소자 성능을 획기적으로 향상하는 데 성공했다. 열전소자는 소자 양끝단의 온도 차를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 전자소자로 자동차의 엔진 열이나 발전소의 폐열 등에서 전기를 생산하는 친환경 에너지 발전기로 활용된다. 반대로 전기를 공급하면 소자의 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 열이 발생하는 데 이를 이용하여 소형 냉장고, 자동차 냉방 시트, 반도체 장치 등 온도제어 시스템에서도 사용되고 있다. 일반적으로 사용되고 있는 열전소자는 딱딱한 세라믹 기판이 열전반도체를 받치고 있어 굴곡이 있는 곳에 활용하기 어렵지만, 유연 열전소자는 세라믹 기판이 없이 유연한 고분자 소재가 열전반도체를 감싸고 있어 쉽게 구부러뜨릴 수 있다. 이를 인체에 부착하면 반영구적으로 전기를 생산할 수 있고, 반대로 휴대용 에어컨으로 활용할 수 있어 인체 부착 전자기기 분야에서 주목을 받아왔다. 하지만 유연한 기판인 고분자 소재는 열전도도가 높아 소재 양단의 열을 차단하지 못하여 단단한 기판의 상용 열전소자만큼 성능을 발휘하지 못한다는 치명적인 문제점이 있었다. KIST 연구진은 각설탕 위에 실리콘 화합물 액체를 부어 굳힌 후, 물에 설탕을 녹여 없애 스펀지 형태의 고분자 소재를 제작했다. 그 결과 원래 설탕이 있던 자리는 미세한 공기 방울로 변하여 열 차단 능력이 기존 소재 대비 50% 이상 높아져 열전달을 효과적으로 차단할 수 있게 되었는데 이 기판을 열전소자를 지지하는 뼈대로 사용하여 유연하면서도 성능을 떨어뜨리지 않는 유연 열전소자를 개발했다. 연구진이 개발한 유연 열전소자는 기존 유연 열전소자 대비 20% 이상 우수한 성능을 보였고, 이는 기존 상용화된 소자와 동일한 수준이다. 연구진은 개발한 유연 소자를 활용하여 체온으로 LED를 점등하는 데 성공했다. KIST 전북분원 김진상 분원장은 “각설탕에 용액을 부어 굳히기만 하면 되는 값싸고 간단한 공정을 통해 유연 열전소자의 효율을 상용 열전소자 수준으로 끌어올렸다.”라며 “충분한 양의 열전소자를 활용하면 체온만으로 스마트 밴드 구동도 충분히 가능할 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업과 한국연구재단 미래소재디스커버리사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 저널인 ‘Nano Energy’(IF : 16.602, JCR 분야 상위 4.299%)의 3월 호에 게재됐다. (논문명) Porous organic filler for high efficiency of flexible thermoelectric generator - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정성진 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 신준철 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진상 책임연구원 <그림설명> [그림1] 대표이미지 [그림 2] 스펀지 형태의 PDMS를 유연 열전소자의 기판으로 활용하면 기존 유연 열전소자 대비 높은 유연성을 가지면서도 우수한 발전 성능을 나타낼 수 있다. [그림 3] 체온과 대기와의 온도 차를 이용하여 전기를 생산하고 이를 전자기기를 동작하는 데 활용할 수 있다. 해당 그림에서는 적색 LED를 동작시켰다.

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충전방식이 배터리 수명 단축의 원인이 될 수 있다?

- KIST, 충·방전 방식에 따른 전지 수명과 최적 성능 상관 관계 확인 - 고도 분석 플랫폼 통한 최신 양극 소재의 용량 저하 메카니즘 규명 전기 자동차의 주행거리를 증가시키기 위해서는 리튬 이온전지의 충전 전압을 높여 에너지 밀도를 극대화 하는 것이 필요하지만, 안전한 전지 구동을 위해서는서는 충전 전압의 ‘안전 상한선’이 존재한다. 상한선을 넘어선 경우 전극 물질 내에 되돌릴 수 없는 구조적, 화학적 변화가 발생하여 전지 수명 단축, 심한 경우에는 열 폭주(Thermal runaway) 현상이 발생해 폭발까지 이어질 수 있어서 급격히 성장하는 전기 자동차 시장에 가장 큰 위험요인으로 작용하고 있다. 리튬 이온전지는 충전시 충전 전압의 안전 상한선을 유지하면서 충전 용량을 최대한 확보하기 위해 주로 정전류-정전압 방식을 활용한다. 먼저 일정한 전류를 흘려주는 방식(정전류, Constant-current)으로 충전을 한 이후 일정한 전압을 유지하는 구간을 삽입하는 방식(정전압, Constant-voltage)이다. 이러한 방식은 최대한의 주행거리를 확보하고, 고속 충전시 발생하는 전지 소재의 입자 불균일성을 완화해 구조 불안정성을 낮추는 역할을 한다고 알려져 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀은 투과 전자현미경 정밀 분석을 통해 그간 보편적이고 효과적인 충전방식으로 통용된 정전류-정전압 방식이 조건에 따라 배터리의 성능저하 원인이 될 수 있다는 점을 밝혀냈다. 연구진은 전기 자동차용 하이-니켈계 양극 소재를 대상으로 충전전압 안전 상한선인 4.3V에서 고속 충·방전 사이클 실험을 진행했다. 이 경우 정전류-정전압 방식이 정전류 충전 방식과 대비해 성능저하가 빠른 현상에 주목했다. 연구진은 투과 전자현미경을 통해 정전류-정전압 충전 과정에서 배터리의 성능 저하를 일으키는 주된 원인인 니켈 부반응이 표면 위주로 집중되어 불균일하게 일어나는 것을 확인했다. 또한 리튬 자리로 이동한 니켈이 방전 시에도 본래의 자리로 돌아가지 못하여 리튬과 니켈 양이온의 주기적 섞임 현상(Periodic cation-mixing)이 발생했고, 이로 인해 심각한 배터리 성능 저하가 나타나는 것을 확인했다. 이러한 성능 열화현상은 충전전압 안전 상한선에 충분한 여유를 준 4.1V로 고속 충·방전을 진행했을 때는 관찰되지 않았다. 다시 말해 정전류-정전압 방식은 하이-니켈계 양극 소재의 경우 충전 전압 안전 상한선 대비 낮은 전압으로 충전될 때 효율적이며, 충전전압 안전 상한선을 최대한 활용해 충전을 진행할 경우 오히려 배터리의 성능저하를 유도할 수 있다는 것이다. KIST 장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 주행 성능을 높이기 위해 배터리의 안전 상한선을 최대한 활용하는 설계가 사고의 핵심 원인 중 하나로 지목되고 있다. 배터리를 화재의 위험없이 긴 주행거리를 사용하기 위해서는 고성능 전극 소재의 개발 이외에 배터리 충·방전 방식 설계 또한 중요하다는 점을 본 연구를 통해 확인하였다”고 밝혔다. KIST 전북분원 김승민 박사는 “충전 전압의 안전 상한선을 최대한 활용할 경우 현재 여러 디바이스 및 어플리케이션에 적용되고 있는 정전류-정전압 충전 방식이 정전류 충전 방식에 비하여 큰 장점이 없으며, 장기 사이클시 오히려 전지 성능의 열화를 가속시키는 것을 본 연구로부터 확인할 수 있었다. 향후 안전한 전지 구동 및 성능 최적화를 달성하는데 본 연구가 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학, 에너지소재 분야의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF 29.698, JCR 분야 상위 2.464%) 최신호에 Back Cover 표지 논문으로 게재되었다. * (논문명) Mechanism of degradation of capacity and charge/discharge voltages of high-Ni cathode during fast long-term cycling without voltage margin - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박재열 박사후연구원(現, ㈜LG화학) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조민지 학생연구원(現, 삼성전자(주)) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 책임연구원 그림설명 [그림 1] NCM 양극재를 충전 전압 안전 상한선을 최대한 활용하여 고속 충, 방전 싸이클 시, 충전 방식 차이에 따른 전지 용량 감소 변화 및 내부구조 변화와의 상관관계 도식도 [그림 2] 표지 이미지 © 2022 The Authors. Advanced Energy Materials published by Wiley-VCH GmbH

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충전방식이 배터리 수명 단축의 원인이 될 수 있다?

- KIST, 충·방전 방식에 따른 전지 수명과 최적 성능 상관 관계 확인 - 고도 분석 플랫폼 통한 최신 양극 소재의 용량 저하 메카니즘 규명 전기 자동차의 주행거리를 증가시키기 위해서는 리튬 이온전지의 충전 전압을 높여 에너지 밀도를 극대화 하는 것이 필요하지만, 안전한 전지 구동을 위해서는서는 충전 전압의 ‘안전 상한선’이 존재한다. 상한선을 넘어선 경우 전극 물질 내에 되돌릴 수 없는 구조적, 화학적 변화가 발생하여 전지 수명 단축, 심한 경우에는 열 폭주(Thermal runaway) 현상이 발생해 폭발까지 이어질 수 있어서 급격히 성장하는 전기 자동차 시장에 가장 큰 위험요인으로 작용하고 있다. 리튬 이온전지는 충전시 충전 전압의 안전 상한선을 유지하면서 충전 용량을 최대한 확보하기 위해 주로 정전류-정전압 방식을 활용한다. 먼저 일정한 전류를 흘려주는 방식(정전류, Constant-current)으로 충전을 한 이후 일정한 전압을 유지하는 구간을 삽입하는 방식(정전압, Constant-voltage)이다. 이러한 방식은 최대한의 주행거리를 확보하고, 고속 충전시 발생하는 전지 소재의 입자 불균일성을 완화해 구조 불안정성을 낮추는 역할을 한다고 알려져 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀은 투과 전자현미경 정밀 분석을 통해 그간 보편적이고 효과적인 충전방식으로 통용된 정전류-정전압 방식이 조건에 따라 배터리의 성능저하 원인이 될 수 있다는 점을 밝혀냈다. 연구진은 전기 자동차용 하이-니켈계 양극 소재를 대상으로 충전전압 안전 상한선인 4.3V에서 고속 충·방전 사이클 실험을 진행했다. 이 경우 정전류-정전압 방식이 정전류 충전 방식과 대비해 성능저하가 빠른 현상에 주목했다. 연구진은 투과 전자현미경을 통해 정전류-정전압 충전 과정에서 배터리의 성능 저하를 일으키는 주된 원인인 니켈 부반응이 표면 위주로 집중되어 불균일하게 일어나는 것을 확인했다. 또한 리튬 자리로 이동한 니켈이 방전 시에도 본래의 자리로 돌아가지 못하여 리튬과 니켈 양이온의 주기적 섞임 현상(Periodic cation-mixing)이 발생했고, 이로 인해 심각한 배터리 성능 저하가 나타나는 것을 확인했다. 이러한 성능 열화현상은 충전전압 안전 상한선에 충분한 여유를 준 4.1V로 고속 충·방전을 진행했을 때는 관찰되지 않았다. 다시 말해 정전류-정전압 방식은 하이-니켈계 양극 소재의 경우 충전 전압 안전 상한선 대비 낮은 전압으로 충전될 때 효율적이며, 충전전압 안전 상한선을 최대한 활용해 충전을 진행할 경우 오히려 배터리의 성능저하를 유도할 수 있다는 것이다. KIST 장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 주행 성능을 높이기 위해 배터리의 안전 상한선을 최대한 활용하는 설계가 사고의 핵심 원인 중 하나로 지목되고 있다. 배터리를 화재의 위험없이 긴 주행거리를 사용하기 위해서는 고성능 전극 소재의 개발 이외에 배터리 충·방전 방식 설계 또한 중요하다는 점을 본 연구를 통해 확인하였다”고 밝혔다. KIST 전북분원 김승민 박사는 “충전 전압의 안전 상한선을 최대한 활용할 경우 현재 여러 디바이스 및 어플리케이션에 적용되고 있는 정전류-정전압 충전 방식이 정전류 충전 방식에 비하여 큰 장점이 없으며, 장기 사이클시 오히려 전지 성능의 열화를 가속시키는 것을 본 연구로부터 확인할 수 있었다. 향후 안전한 전지 구동 및 성능 최적화를 달성하는데 본 연구가 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학, 에너지소재 분야의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF 29.698, JCR 분야 상위 2.464%) 최신호에 Back Cover 표지 논문으로 게재되었다. * (논문명) Mechanism of degradation of capacity and charge/discharge voltages of high-Ni cathode during fast long-term cycling without voltage margin - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박재열 박사후연구원(現, ㈜LG화학) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조민지 학생연구원(現, 삼성전자(주)) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 책임연구원 그림설명 [그림 1] NCM 양극재를 충전 전압 안전 상한선을 최대한 활용하여 고속 충, 방전 싸이클 시, 충전 방식 차이에 따른 전지 용량 감소 변화 및 내부구조 변화와의 상관관계 도식도 [그림 2] 표지 이미지 © 2022 The Authors. Advanced Energy Materials published by Wiley-VCH GmbH

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충전방식이 배터리 수명 단축의 원인이 될 수 있다?

- KIST, 충·방전 방식에 따른 전지 수명과 최적 성능 상관 관계 확인 - 고도 분석 플랫폼 통한 최신 양극 소재의 용량 저하 메카니즘 규명 전기 자동차의 주행거리를 증가시키기 위해서는 리튬 이온전지의 충전 전압을 높여 에너지 밀도를 극대화 하는 것이 필요하지만, 안전한 전지 구동을 위해서는서는 충전 전압의 ‘안전 상한선’이 존재한다. 상한선을 넘어선 경우 전극 물질 내에 되돌릴 수 없는 구조적, 화학적 변화가 발생하여 전지 수명 단축, 심한 경우에는 열 폭주(Thermal runaway) 현상이 발생해 폭발까지 이어질 수 있어서 급격히 성장하는 전기 자동차 시장에 가장 큰 위험요인으로 작용하고 있다. 리튬 이온전지는 충전시 충전 전압의 안전 상한선을 유지하면서 충전 용량을 최대한 확보하기 위해 주로 정전류-정전압 방식을 활용한다. 먼저 일정한 전류를 흘려주는 방식(정전류, Constant-current)으로 충전을 한 이후 일정한 전압을 유지하는 구간을 삽입하는 방식(정전압, Constant-voltage)이다. 이러한 방식은 최대한의 주행거리를 확보하고, 고속 충전시 발생하는 전지 소재의 입자 불균일성을 완화해 구조 불안정성을 낮추는 역할을 한다고 알려져 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀은 투과 전자현미경 정밀 분석을 통해 그간 보편적이고 효과적인 충전방식으로 통용된 정전류-정전압 방식이 조건에 따라 배터리의 성능저하 원인이 될 수 있다는 점을 밝혀냈다. 연구진은 전기 자동차용 하이-니켈계 양극 소재를 대상으로 충전전압 안전 상한선인 4.3V에서 고속 충·방전 사이클 실험을 진행했다. 이 경우 정전류-정전압 방식이 정전류 충전 방식과 대비해 성능저하가 빠른 현상에 주목했다. 연구진은 투과 전자현미경을 통해 정전류-정전압 충전 과정에서 배터리의 성능 저하를 일으키는 주된 원인인 니켈 부반응이 표면 위주로 집중되어 불균일하게 일어나는 것을 확인했다. 또한 리튬 자리로 이동한 니켈이 방전 시에도 본래의 자리로 돌아가지 못하여 리튬과 니켈 양이온의 주기적 섞임 현상(Periodic cation-mixing)이 발생했고, 이로 인해 심각한 배터리 성능 저하가 나타나는 것을 확인했다. 이러한 성능 열화현상은 충전전압 안전 상한선에 충분한 여유를 준 4.1V로 고속 충·방전을 진행했을 때는 관찰되지 않았다. 다시 말해 정전류-정전압 방식은 하이-니켈계 양극 소재의 경우 충전 전압 안전 상한선 대비 낮은 전압으로 충전될 때 효율적이며, 충전전압 안전 상한선을 최대한 활용해 충전을 진행할 경우 오히려 배터리의 성능저하를 유도할 수 있다는 것이다. KIST 장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 주행 성능을 높이기 위해 배터리의 안전 상한선을 최대한 활용하는 설계가 사고의 핵심 원인 중 하나로 지목되고 있다. 배터리를 화재의 위험없이 긴 주행거리를 사용하기 위해서는 고성능 전극 소재의 개발 이외에 배터리 충·방전 방식 설계 또한 중요하다는 점을 본 연구를 통해 확인하였다”고 밝혔다. KIST 전북분원 김승민 박사는 “충전 전압의 안전 상한선을 최대한 활용할 경우 현재 여러 디바이스 및 어플리케이션에 적용되고 있는 정전류-정전압 충전 방식이 정전류 충전 방식에 비하여 큰 장점이 없으며, 장기 사이클시 오히려 전지 성능의 열화를 가속시키는 것을 본 연구로부터 확인할 수 있었다. 향후 안전한 전지 구동 및 성능 최적화를 달성하는데 본 연구가 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학, 에너지소재 분야의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF 29.698, JCR 분야 상위 2.464%) 최신호에 Back Cover 표지 논문으로 게재되었다. * (논문명) Mechanism of degradation of capacity and charge/discharge voltages of high-Ni cathode during fast long-term cycling without voltage margin - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박재열 박사후연구원(現, ㈜LG화학) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조민지 학생연구원(現, 삼성전자(주)) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 책임연구원 그림설명 [그림 1] NCM 양극재를 충전 전압 안전 상한선을 최대한 활용하여 고속 충, 방전 싸이클 시, 충전 방식 차이에 따른 전지 용량 감소 변화 및 내부구조 변화와의 상관관계 도식도 [그림 2] 표지 이미지 © 2022 The Authors. Advanced Energy Materials published by Wiley-VCH GmbH

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