홍종섭 교수팀, 전기차 배터리 열폭주 해결할 단초 마련

배터리 구성 요소 조합 실험

부반응 원인 규명 및 열폭주 반응 모델 개발

[사진. (왼쪽부터) 홍종섭 교수, 김민욱 제1저자]

공과대학 기계공학과 홍종섭 교수 연구팀이 에너지 밀도가 높아 전기차용 이차 전지로 많이 사용되는 하이 니켈(high nickel) 양극재 기반 리튬 이온 배터리의 안전성 향상과 전기차의 신뢰성을 높일 원천 기술을 개발했다. 이로써 전기차의 주요 동력원인 리튬 이온 배터리의 열폭주 메커니즘이 규명됐으며, 이를 개선할 핵심 기술이 확보됐다.

리튬 이온 배터리는 높은 효율로 전기차의 주행거리 향상을 이끌었지만, 기계적·전기적으로 남용될 경우 열폭주 발생 우려가 높다. 또한 열폭주 시 가스 발생을 동반한 여러 부반응이 일어나고 폭발로 이어져 운전자와 차량의 안전이 위협받고 있다. 

하이 니켈계 양극재의 열적 안정성 저하는 열폭주의 주요 원인 중 하나이다. 하지만 니켈 함량이 80% 이상인 양극에서의 부반응에 관한 연구는 활발하게 이뤄지지 못한 실정이다. 

또한, 열폭주 시 배터리 내부는 소재들이 물리적으로 접촉한 상태에서 다양한 부반응이 발생하는데, 지금까지는 이들 소재 간의 조합 실험 없이 각 전극에서 일어나는 현상을 개별적으로 고려한 한계가 있다. 

[그림 1. 하이 니켈 양극재 기반 리튬 이온 배터리의 열폭주 메커니즘 규명을 위한 핵심 방법론 및 핵심 결과]

홍종섭 교수 연구팀은 배터리 구성 요소 간의 체계적인 조합을 토대로 열분해 실험 기법들을 이용해 하이 니켈계 양극재를 사용하는 리튬 이온 배터리의 상온부터 500℃ 환경에서의 열폭주 반응 메커니즘을 규명하고, 이를 기반으로 높은 신뢰도를 가지는 열폭주 반응 모델을 개발했다.

리튬 이온 배터리를 제작 및 충전, 분해해 4가지 구성 요소인 양극, 음극, 전해액, 분리막별 소재 간 총 15가지 조합에 따른 열분해 실험을 진행해 하이 니켈계 양극재를 사용하는 리튬 이온 배터리의 열폭주 반응 메커니즘을 규명했다. 

또한 배터리 구성 요소의 조합에 따른 열분해 실험 시 각기 다른 반응 온도와 발열량을 확인하고, 그에 따른 활성 물질 및 전해액의 감소를 반영해 온도별 열, 부피, 압력을 모사할 수 있는 신뢰도 높은 열폭주 반응 모델을 개발했다.

[그림 2. 본 연구를 적용했을 때 나타나는 기대 효과]

연구팀이 제안한 열폭주 반응 메커니즘과 열폭주 반응 모델은 다양한 비정상 상황에서 셀 성능 저하 및 열폭주를 예측할 수 있어 대면적 배터리 실험의 다양한 제약을 극복하고 배터리 안전성을 높이는 기술 발전을 촉진할 전망이다. 

홍종섭 교수는 “본 연구를 통해 규명한 메커니즘과 열폭주 반응 모델을 이용해 다양한 비정상 상황에서 분리막 용융에 따른 셀 성능 저하 및 열폭주를 예측하는 데 적용 및 검증할 계획”이라며 “열폭주 문제 해결을 통해 전기차 안전성 향상 및 전기차 보급 확대 등 관련 시장 성장에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터 사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 반응 공학 분야 국제 학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 7월 3일 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Reaction mechanism study and modeling of thermal runaway inside a high nickel-based lithium-ion battery through component combination analysis

● 논문주소:  https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144434

용어설명

● 열폭주: 리튬 이온 배터리가 기계적/전기적으로 남용될 경우 내부 온도가 상승하며 이는 연쇄적인 부반응으로 이어져 제어할 수 없을 정도로 온도가 상승하고 더 나아가 폭발로 이어지는 상황

● 부반응: 여러 가지 반응이 함께 일어날 때에 주된 반응 외의 다른 반응