리튬 재분배가 부른 국부 열화…배터리 수명 저하 경로 규명

인하대학교 김민규 교수 연구팀이 리튬이온배터리 복합 양극 내부에서 입자별 충전상태가 달라질 경우, 입자 간 리튬이온 재분배와 내부전류 집중이 특정 입자의 열화를 촉진한다는 분석 결과를 내놨다.


연구팀은 크기와 반응 특성이 다른 두 종류의 고니켈 NCM811 양극 입자를 여러 비율로 섞어 복합전극을 만들고, 충전·휴지 과정에서 일어나는 반응 변화를 추적했다. 그 결과 외부 충전을 중단한 뒤에도 충전상태 차이를 줄이는 방향으로 입자 사이 리튬이온 이동이 이어졌다.

이 과정은 입자 간 충전상태를 맞추는 현상이지만, 한쪽 입자군의 비율이 낮은 전극에서는 재분배에 따른 내부전류가 소수 입자에 집중되는 것으로 나타났다. 외부 회로에서 전류가 측정되지 않는 휴지 상태에서도 특정 입자는 추가적인 전기화학 반응 부담을 받는 셈이다.

연구진은 자체 개발한 반응 분해 분석(RDA) 플랫폼과 방사광 기반 마이크로 X선 회절 매핑, 투과 X선 현미경을 활용해 전극 전체와 개별 입자 내부의 반응 분포를 분석했다. 일반적인 전기화학 측정에서 평균값으로 묶이는 서로 다른 입자군의 충전상태와 반응량을 분리해 추적한 것이다.

분석 결과 내부전류가 집중된 입자에서는 전해질과의 부반응으로 유기물계 표면 피막이 두꺼워지고, 리튬이온 이동에 유리한 층상 결정구조 일부가 전기화학적으로 비활성인 암염상 구조로 변형되는 현상이 관찰됐다. 이 같은 표면·구조 변화는 리튬이온 이동을 방해하고 전극 저항을 높여 장기 성능 저하로 이어질 수 있다.

연구진은 배터리 열화가 개별 입자의 균열이나 표면 반응만으로 설명되지 않으며, 실제 전극 안에서 입자들이 서로 다른 속도로 반응하는 데서도 발생할 수 있다고 봤다. 특히 입자 크기와 반응 특성, 혼합 비율에 따라 내부 리튬이온 이동과 전류 집중 양상이 달라질 수 있어 전극 설계 단계에서 입자 간 반응 동기화를 고려해야 한다는 설명이다.

김민규 교수는 “우수한 소재라도 전극 안에서 다른 입자들과 반응 속도가 맞지 않으면 특정 입자가 선택적으로 손상될 수 있다”며 “전극을 구성하는 입자들이 보다 균일하게 반응하도록 설계하는 것이 고용량·장수명 배터리 개발의 기준이 될 수 있다”고 말했다.