“끝까지 쓰면 성능 저하”…배터리 새 원인 규명
배터리 수명을 단축시키는 숨겨진 원인이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.
배터리를 끝까지 사용하는 ‘방전’ 과정 자체가 배터리 성능을 떨어뜨리는 주요 원인이라는 점이 과학적으로 확인됐다.
포스텍(포항공과대학교)은 홍지현 친환경소재대학원 배터리공학과 교수 연구팀이 김종순 성균관대 교수팀과 공동으로 리튬이온배터리 사용 중 발생하는 성능 저하 메커니즘을 규명했다고 31일 밝혔다.
이번 연구는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 표지 논문으로 실렸다.
전기차와 스마트폰 등 다양한 전자기기에 쓰이는 리튬이온배터리의 양극재는 보통 니켈·망간·코발트로 이뤄진 삼원계 소재다.
최근에는 비싼 코발트를 줄이고 니켈 함량을 높여 경제성과 효율을 추구하는 고니켈 배터리가 늘고 있다.
그러나 니켈 비중이 높아질수록 배터리 수명이 짧아지는 문제가 반복돼 왔다.
그동안 배터리 성능 저하는 주로 과충전 시 발생한다고 알려져 있었지만, 일정한 전압 내에서도 성능이 급격히 떨어지는 현상이 발생해 원인 규명이 어려웠다.
포스텍 연구팀은 이 점에 착안해 ‘방전’, 즉 배터리를 사용하는 과정에서 일어나는 화학적 변화에 주목했다.
분석 결과, 배터리를 재충전 없이 끝까지 사용할 경우 양극재 표면에서 산소가 탈출하는 ‘준-전환 반응’이 일어나는 것이 확인됐다.
이는 전압이 약 3V 수준일 때 발생하며, 양극재 표면의 산소가 리튬과 결합해 리튬산화물을 형성한다.
이 산화물은 전해질과 반응하면서 가스를 발생시키고, 결과적으로 배터리 성능을 저하시켰다.
특히 니켈 함량이 높을수록 이 현상이 더 강하게 나타났다. 배터리를 방전할수록 셀이 부풀어 오르며 내부 손상이 가속화되고 수명 저하가 심해졌다.
해결책은 의외로 단순했다. 연구팀은 배터리를 완전히 소진하지 않고 일정 수준까지만 사용하는 방식만으로도 성능 저하를 크게 줄일 수 있음을 확인했다.
예컨대 니켈 함량 90% 이상 고니켈 배터리의 경우, 완전히 방전한 뒤 250회 충전·방전을 반복한 배터리는 용량이 3.8%밖에 남지 않았으나, 일정 사용량까지만 쓰도록 제한한 배터리는 300회 후에도 73.4%의 용량을 유지했다.
홍지현 교수는 “배터리 사용 과정인 방전이 미치는 영향은 그간 간과됐다”며 “이번 연구는 더 오래 쓸 수 있는 배터리를 만들기 위한 중요한 개발 방향을 제시했다”고 말했다.
배동현 (grace8366@sabanamedia.com) 기사제보
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