전기차 배터리 수명 향상 원리 영상으로 살펴본다

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 전기자동차 배터리 성능과 수명 증대 메커니즘을 검증하는 방법에 쓸 수 있는 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 홍승범 신소재공학과 교수 연구팀이 LG에너지솔루션과 협업해 배터리 수명 특성 향상 메커니즘을 영상화한 결과를 국제학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters, Impact Factor)’에 게재했다고 19일 밝혔다.

홍승범 KAIST 신소재공학과 교수.(사진=KAIST)

전기자동차의 고용량 배터리에 쓰는 실리콘 활물질은 기존 음극 활물질인 흑연 대비 높은 용량 값을 갖고 있지만, 충전·방전 간 400%에 달하는 높은 부피 팽창·수축률이 배터리 수명에 부정적인 영향을 준다. 이를 해결하기 위해 단일벽 탄소나노튜브를 소량 첨가해 수명 특성이 향상되는 결과를 얻었는데 결과가 어떻게 나왔는지 나노 단위에서 영상으로 만든 것이다.

연구팀은 원자간력 현미경 기반의 켈빈 프루브 현미경을 이용해 1회부터 90회까지 충·방전 주기 후의 전극 내 천연흑연과 실리콘 산화물 입자에서의 표면 전위를 측정해 영상화했다.

단일벽 탄소나노튜브가 첨가된 전극에서는 활물질 내 표면 전위가 균일하게 분포하고 있는 반면 첨가되지 않은 기존 전극에서는 90회 충·방전 후에 불균일한 표면전위를 보였다. 전자 전도 네트워크가 제대로 기능을 발휘하지 않아 불균일한 충·방전이 된다는 사실을 확인한 셈이다.

연구팀은 앞으로 활물질 내부의 표면 전하를 영상화할 수 있는 기술을 실리콘 활물질 뿐만 아니라 다양한 전극 시스템에 적용해 배터리 충·방전 상태 균일성을 확인하고, 수명 향상 연구로 발전할 수 있을 것으로 기대했다.

홍승범 교수는 “원자간력 현미경을 활용해서 나노스케일에서 일어나는 전기화학적인 현상을 영상화했다”며 “이를 통해 배터리 성능과 수명을 향상할 수 있는 아이디어를 만들어 기쁘다”고 했다.

단일벽 탄소나노튜브가 첨가된 전극과 첨가되지 않은 기준 전극 간의 형상과 표면전위 영상 비교.(자료=KAIST)