< (앞줄 왼쪽부터) KAIST 이정아 박사과정, 강하늘 석사과정, (뒷줄 왼쪽부터) 김세훈 박사과정, 최남순 교수 >
전기자동차에 사용되는 무음극 배터리는 1회 충전에 800㎞ 주행, 1,000회 이상 배터리 재충전이 가능할 것을 전망하는 꿈의 기술로 알려져 있다. 일반적으로 배터리는 양극과 음극으로 구성되는데, 무음극 배터리는 음극이 없어 부피가 감소하여 높은 에너지 밀도를 가지지만 리튬금속 배터리에 비해 성능이 현저하게 낮다는 문제점이 있다. 우리 연구진이 무음극 배터리를 고성능화시킬 방안을 제시했다.
우리 대학 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 전극 계면에서 일어나는 반응의 비가역성과 계면피막 구조의 변화를 체계적으로 분석해 무음극 배터리의 퇴화 원인을 규명했다고 5일 밝혔다.
최남순 교수 연구팀은 무음극 배터리의 첫 충전 과정에서 구리 집전체 표면과 전착된 리튬 표면에서 바람직하지 않은 전해질 분해반응이 일어나 계면피막 성분이 불안정하게 변한다는 것을 밝혀냈다.
배터리 제조 직후에는 용매가 구리 집전체 표면에 흡착해 초기 계면 피막을 형성하고, 충전시 양극으로부터 구리 집전체로 이동된 리튬 이온이 구리 집전체 표면에서 전자를 받아 리튬금속으로 전착되면 전착된 리튬금속 표면에서 전해질 음이온(bis(fluorosulfonyl)imide (FSI-))이 분해하여 리튬금속표면에 계면 피막을 형성함을 규명했다.
연구에 따르면, 배터리 제조 직후에 집전체 표면에서 용매가 분해하여 계면 피막을 만들고 그 후 전해질의 갈바닉* 및 화학적 부식**에 의해 계면 피막성분이 불안정한 성분으로 변하게 되고 이로 인해 리튬금속 전착 및 탈리 반응의 가역성이 크게 감소했다.
* 갈바닉 부식: 서로 다른 두 금속을 전기적으로 직접 접촉시켜 전해질에 담그면 고유의 전위차이로 인하여 어느 한쪽이 부식되는 과정.
** 화학적 부식: 전착 리튬금속 표면층까지 전달된 전자가 접촉하고 있는 전해질 성분들에 전달되어 전해질의 환원 분해가 발생함.
< 그림 1. (상단; a) 구리 집전체와 리튬금속 음극 표면에 대한 전해질 거동 차이, (하단; b) 무음극 배터리와 리튬금속배터리의 작동 메커니즘 >
특히, 리튬금속에 대한 높은 반응성을 가진 FSI- 음이온은 충·방전 동안 계속해서 분해되어 리튬금속 계면피막을 두껍게 하고 리튬염 농도를 감소시킨다. 이로 인해 리튬이온과 상호작용하지 않는 자유 용매(free solvent)가 많아지게 된다. 이 자유 용매는 분해가 잘되기 때문에 분해산물이 양극 표면에 쌓여 저항이 증가하고 양극 구조 열화*를 연쇄적으로 발생시켜 무음극 배터리 성능을 퇴화시키게 된다.
*자유 용매: 이온성 화합물의 이온 결합을 끊고 이온화시키는 용해(dissolution) 과정에 참여하지 않는 용매.
**구조 열화: 니켈리치 삼원계 양극의 충전과정에서 생성되는 니켈 4가 양이온은 자유용매로부터 전자를 빼앗아 니켈 2가 양이온으로 환원되는데 리튬이 들어가야하는 자리에 대신 들어가 양극의 층상구조(layered)를 암염구조(rock-salt)로 상전이를 발생시킴.
< 그림 2. 무음극 배터리와 리튬금속배터리의 방전용량 (discharge capacity)과 쿨롱효율 (Coulombic efficiency) 그래프. (상단;a) 무음극 배터리의 사이클에 따른 전압 곡선. (하단; 좌측 b) 리튬금속배터리의 사이클에 따른 전압 곡선. (하단; 우측 c) (상단; a)의 무음극 배터리는 특정 사이클 이후 지속적인 방전 용량의 감소와 함께 배터리의 열화가 나타나는 반면, 리튬금속배터리의 경우 용량 저하 현상 없이 안정적인 구동이 관측됨. (하단; 좌측 b)의 무음극 배터리의 경우 급격한 충전 과전압 증가와 함께 방전 용량이 급감하는 반면, (하단; 우측 c)의 리튬금속배터리는 반복적인 사이클임에도 안정적인 구동을 나타냄. >
본 연구에서는 무음극 배터리 선행 연구에도 불구하고 리튬금속 배터리에 비해 성능이 열세인 이유를 다각도로 접근한 결과, 무음극 배터리의 열화를 막기 위해서는 안정한 초기 전극 계면 피막을 만들어서 전해질의 갈바닉 및 화학적 부식을 감소시키는 것이 필수적임을 밝혔다.
< 그림 3. 충·방전 전압에 따른 (상단; a) 구리 집전체 표면과 (중간; b) 리튬금속 음극 표면 전착 리튬 거동. (하단; c) 구리 집전체 표면 리튬 전착 과정 개요도. 해당 분석을 통해 구리 집전체 표면에 형성된 FSA 용매 기반 초기 음극 보호막은 리튬 전착 과정에서 전해액의 부식을 야기하여 불안정한 리튬 전착·탈리를 야기함을 확인하였다. 이에 반해 리튬금속배터리는 상대적으로 균일하고 조밀하게 리튬이 전착·탈리됨을 관찰했다. >
최남순 교수는 “이번 연구는 무음극 배터리의 성능 감소는 집전체에 전착되는 리튬금속표면에서 전해질이 바람직하지 않은 분해반응을 하고 형성된 계면피막의 성분이 안정적으로 유지되지 못하기 때문에 일어나는 것임을 확인했다”며 “이번 성과는 향후 무음극 기술에 기반한 고에너지 차세대 배터리 시스템 개발에 중요한 실마리를 제공할 것이다”라고 연구의 의미를 강조했다.
< 그림 4. (상단; a, b) 무음극 배터리와 리튬금속배터리의 100 사이클 후 NCM811 양극 단면 SEM 분석. a, 무음극 배터리, b, 리튬금속배터리. (중간; c, d) 무음극 배터리와 리튬금속배터리의 100 사이클 후 NCM811 양극 단면 SEM 분석. c, 무음극 배터리, d, 리튬금속배터리. (하단; e) FSI- 음이온 고갈 및 계면피막 분해로 인한 NCM811 양극의 교차 효과 (상단)의 무음극 배터리의 경우 전해질과 충전 상태의 양극 간의 부반응으로 인해 감소된 전극의 가역성으로 인하여 NCM811 양극 표면과 입자 내부에 심한 균열이 발생함. 반면 리튬금속배터리는 양극의 상전이가 가역적으로 지속되어 구조 열화가 제어되었기 때문에 균열 형성에 효과적으로 억제됨. (중단) 무음극 배터리의 경우 사이클 과정에서 NCM811 양극의 지속적인 비가역적 상전이 발생으로 인해 암염 구조가 두껍게 형성되며 열화된 모습을 나타내는 반면, 리튬금속배터리는 사이클 과정에서 상전이가 거의 발생하지 않음을 확인함. (하단) 구리 집전체 표면에 형성된 음극 계면 보호층의 안정성 저하가 지속적으로 전해질과 양극 구조에 열화를 유발하여, 무음극 배터리의 성능저하를 초래함. >
생명화학공학과 최남순 교수, 이정아, 강하늘, 김세훈 연구원이 공동 1 저자로 진행한 이번 연구는 국제 학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’에 10월 6일 字로 온라인 공개되었으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정되었다. (논문명 : Unveiling degradation mechanisms of anode-free Li-metal batteries)
한편 이번 연구는 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.
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2024-12-04전기차 배터리를 효율적으로 관리하고 안전하게 사용하기 위해서는 정확한 배터리 상태 진단이 필수적이다. 우리 연구진이 소량의 전류만을 사용해 높은 정밀도로 배터리의 상태를 진단하고 모니터링할 수 있는 기술을 개발하여 배터리의 장기적 안정성과 효율성을 극대화할 것으로 기대된다. 우리 대학 전기및전자공학부 권경하 교수와 이상국 교수 연구팀이 전기차 대용량 배터리의 안정성과 성능 향상에 활용할 수 있는 전기화학 임피던스 분광법(이하 EIS) 기술을 개발했다고 17일 밝혔다. EIS 기술은 배터리의 임피던스* 크기와 변화를 측정해 배터리 효율과 손실을 평가할 수 있는 강력한 도구로, 배터리의 충전 상태(state-of-charge; SOC) 및 건강 상태(state-of-health; SOH)를 평가하는 중요한 도구로 여겨진다. 또한 배터리의 열적 특성과 화학적/물리적 변화, 수명 예측, 고장의 원인을 식별하는 데 활용 가능하다. * 배터리 임피던스: 배터리 내부에서 전류 흐름
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2023-12-07우리 대학 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀이 미국 조지아공대(Georgia Tech) 이승우 교수팀과 공동연구를 통해 새로운 개념의 엘라스토머 고분자 전해질을 개발하고 이를 통해 세계 최고성능의 전고체전지를 구현했다고 13일 밝혔다. 우리 대학 한정훈 및 조지아공대 이승훈 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처(Nature)' 1월 13일에 출판됐다. (논문명: Elastomeric electrolytes for high-energy solid-state lithium batteries). 전고체 리튬메탈전지(all-solid-state Li-metal battery)는 이차전지에 사용되는 휘발성이 높은 액체전해질을 고체로 대체해 화재 및 자동차 안전사고를 막을 수 있는 미래기술로서, 현재 상용화된 리튬이온전지(Li-ion battery)에 비해 에너지밀도를 획기적으로 향상해 자동차 주행거리 확보 및 안전 문제를 해결할 수 있는 `꿈의 배터리
2022-01-13우리 대학은 ‘2021 퓨처 모빌리티(Future Mobility of the Year awards: FMOTY) 상’ 시상식을 25일(목) 오후 4시 서울 역삼동 르노삼성 사옥에서 개최했다. ‘퓨처 모빌리티 상’시상식은 세계 최초의 콘셉트카 대상 시상식으로, KAIST 조천식녹색교통대학원(원장 장인권) 주최로 올해 세 번째로 시행했다. 지난해부터 올해 1분기까지 세계 자동차 전시회에 공개된 총 46종의 콘셉트카를 대상으로 미래 사회에 유용한 교통 기술과 혁신적 서비스를 선보인 모델을 승용차와 상용차 부문에서 각각 선정했다. 심사위원으로는 독일 카 매거진의 게오르그 카처(Georg Kacher) 국장, 영국 BBC 탑기어 매거진 찰리 터너(Charlie Turner) 편집장 등 11개국의 자동차 전문 기자 16인이 참여했다. 올해 승용차 부문은 르노그룹의 르노 5 EV 콘셉트카가 수상했다. 프랑스의 국민 차인 르노 5를 전기차 시
2021-11-26