고려대, 리튬이온 배터리 성능 저하 원인 규명

[이데일리 신하영 기자] 고려대 연구팀이 리튬이온전지의 실리콘계 음극에서 발생하는 갑작스러운 성능 저하의 원인을 규명했다.

(왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과 유승호 교수(교신저자), 중앙대 에너지시스템공학부 문장혁 교수(교신저자), 고려대 최윤정 석박통합과정(제1저자), 고려대 배지윤 석박통합과정(제1저자), 중앙대 박성수 박사과정(제1저자) ※사진=고려대 제공

고려대는 유승호 화공생명공학과 교수팀이 문장혁 중앙대 교수팀과의 연구에서 이러한 성과를 얻었다고 18일 밝혔다.

최근 전기차 시장의 확대로 리튬이온 배터리의 성능 개선 수요가 증가하고 있다. 기존 흑연을 대체할 차세대 음극재에 대한 연구가 활발한 이유다. 실리콘 산화물(SiO)은 높은 용량과 부피 팽창 완화 효과로 차세대 음극재로 주목받고 있지만 장기간 사용 시 안정성이 저하된다는 한계가 있다.

연구팀은 장기간 구동 실험을 통해 상온(25℃)에서 빠른 속도로 충·방전을 반복하면 흑연 음극에서 갑작스러운 용량 저하가 발생한다는 사실을 밝혀냈다. 반면 고온(50℃)이나 느린 속도의 충·방전 조건에서는 이런 문제가 나타나지 않았다.

연구팀은 그 원인이 리튬 농도 차이에서 비롯된 확산 유도 응력(diffusion-induced stress)임을 확인했다. 상온에서는 입자 내부와 표면 간 농도 차가 커 입자 표면에 균열이 생기기 때문이다. 이런 균열은 전해질 분해를 촉진해 리튬 이동을 막는 두꺼운 막을 만들고, 이 과정이 반복되면서 성능이 급속히 저하된다.

연구팀은 충·방전 사이에 잠시 쉬는 ‘이완 단계(relaxation step)’를 거치면 리튬 농도 차이가 완화돼 급격한 용량 저하를 억제할 수 있음을 입증했다. 이는 확산 유도 응력이 실리콘 음극 성능 저하의 핵심 원인임을 보여주는 결과다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 LG에너지솔루션 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 저명 국제 학술지(Advanced Energy Materials)에 게재됐다.

유승호 교수는 “이번 연구는 실리콘 음극의 열화 과정을 근본적으로 규명해, 장수명 고에너지 전지를 설계하는 데 중요한 단서를 제공한다”라며 “향후 실리콘 기반 리튬이온전지 상용화에 크게 기여할 것”이라고 말했다.