스마트폰을 사용하다보면 뜨거운 열이 발생하곤 한다. 이러한 과열은 배터리의 수명을 저하시키는 원인 중 하나지만, 지금까지는 열이 배터리의 수명과 성능에 어떻게 영향을 주는지에 대해서는 명확히 규명되지 않았다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단은 유승호 고려대 교수팀과 공동으로 온도에 따른 리튬이온배터리 전극물질의 구조 변화를 관측하고, 배터리 열화과정의 근본적인 원인을 규명하는데 성공했다.

▲ 연구진은 고온에서 일어나는 2차 상변화로 인해 전극으로 쓰인 이산화티타늄 나노입자가 잘개 쪼개지는 현상을 전자현미경을 통해 관측했다. 나노입자의 결함은 배터리의 성능에 직접적인 영향을 미치는 것으로 확인됐다.

대부분 전자기기에 사용되는 리튬이온배터리는 충전 시 리튬이온이 음극으로 이동하여 음극 속으로 삽입되고, 사용할 땐(방전) 정반대의 반응이 일어난다. 연구진은 이산화티타늄(TiO₂)을 전극(음극)으로 사용하는 리튬이온배터리를 제조하고, 온도가 배터리 성능에 미치는 영향을 면밀히 분석했다. 그 결과, 구동 온도가 높아지면 상온에서 일어나지 않았던 새로운 리튬 저장 메커니즘이 진행됨을 밝혀냈다.

기존에는 배터리를 충전할 때 리튬이온(Li⁺)이 음극으로 이동해 이산화티타늄과 반응하여 상을 변화(Li_0.55TiO₂)시킨다고만 알려져 있었다. 하지만 분석결과 상온보다 20~30℃만 높아져도 1차 상변화 후 추가적인 2차 상변화(Li₁TiO₂)가 일어나는 것으로 밝혀졌다. 고온이 아닌 전자기기 사용 시 발생하는 40℃ 수준의 온화한 열 조건에서도 예상치 않았던 추가 상변화가 발생한다는 것이다.

▲ 연구진은 이산화티타늄 리튬이온배터리가 40~60℃의 온화한 열 조건에서 충․방전될 때 추가적인 상변화가 일어나며, 전극물질을 노화시키는 현상을 발견했다.

이어 연구진은 전자현미경을 이용해 2차 상변화에 따른 전극의 구조 변화를 관찰했다. 2차 상변화가 일어나면 에너지 장벽이 높아져 이산화티타늄 전극 내부에서 리튬이온이 이동하기 어려워진다. 마치 동맥경화처럼 전극 내에 리튬이온이 축적되다가, 충‧방전을 거듭하면 결국 이산화티타늄 격자 구조에 결함이 생겨 비가역적인 손실이 발생했다.

성영은 부연구단장은 “최근 전기자동차의 수요 급증과 함께 성능이 우수한 배터리 물질의 개발이 중요해졌다”며 “배터리 안정성의 핵심인 열화과정의 원인을 분자 수준에서 규명한 만큼, 향후 차세대 배터리 설계에 새로운 방향을 제시할 것”이라고 덧붙였다.

▲ 이산화티타늄(TiO₂) 전극의 구조 변화. 온화한 열 조건에서 충‧방전을 반복하면 2차 상변화가 발생한다.

연구결과는 화학분야 세계적 학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 8월 5일자에 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬