화학뉴스

Tokyo 대학이 Ritsumeikan 대학 및 산업기술종합연구소, 위탁연구기관 KRI와 공동으로 LiB(Lithium-ion Battery) 내부의 반응 불균일 현상을 가시화하고 발생요인을 해명했다.
전지설계는 Try & Error 요소를 많이 포함하고 있으나 연구결과를 통해 보다 과학적인 관점에서 고성능 전지의 설계가 가능해지고 전기자동차(EV) 주행거리를 늘리기 위한 2차전지 개발에 대한 응용이 기대되고 있다.
LiB는 휴대단말기 및 노트북용 전지로서 폭넓게 활용되고 있으며 EV 적용 등에 따라 대형화도 이루어지고 있다.
전극은 리튬이온을 저장하는 활물질, 전자전도 통로를 형성하는 도전제, 결합을 위한 결착제로 구성돼 있으며 공극에 전해액을 주입해 이온 전도 통로를 만드는 매우 복잡한 구조의 합제전극이다.
전지 성능을 좌우하는 인자에 전지 내부의 반응 불균일 현상이 관여하고 있다는 사실은 대부분의 과학자가 가정하고 있으나 실험적으로 검증하고 해석하는 툴은 존재하지 않았다.
불균일성은 전지 내부의 전자 전도률과 이온 전도률 차이에 기인하는 것으로 파악되고 있으나 실측하는 수단이 없었다.
연구진은 반응 불균일 현상을 가시화하기 위해 2차원 데이터가 취득 가능한 X선 흡수 분광을 측정하고 LiB 전극의 전자 전도률과 이온 전도률의 계측 방법을 확립했다.
성능이 다른 LiB 전극을 해당 방법에 따라 해석한 결과 전극 내부의 반응 불균일성은 이온 전도에 따라 결정되며 성능에 크게 영향을 미치고 있는 사실을 확인했다.
합제전극 가운데 공극률이 큰 전극은 반응이 균일하게 이루어지지만 공극률이 작은 전극은 전극‧전해질 계면에서 우선적으로 반응이 이루어져 내부에 큰 불균일성이 생기며, 전자 전도률에 비해 이온 전도률이 매우 작거나 공극률이 작으면 이온전도률이 더욱 낮아지는 것을 확인했다.
이에 따라 연구진은 LiB의 실용적인 합제전극 안에서 이온 전도가 율속 상태일 가능성이 매우 높고 반응 불균일성이 성능 지배 인자인 것을 실증했다.
연구 성과는 LiB의 실용적인 설계에 기여하고 전지 성능 향상에 매우 유용할 것으로 평가되고 있다.
연구진은 반응 불균일성이 대형전지에서 두드러지고 있기 때문에 자동차용 LiB 설계에 적용하면 주행거리를 늘리고 안전성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다. (L)