인산철 배터리 고속 방전하면 성능 떨어지는 원인 찾았다
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. 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.
