전기차 배터리 열폭주 해결 실마리 찾았다

- 배터리 구성요소 조합 실험
- 부반응 원인 규명 및 열폭주 반응모델 개발

논문명
Reaction mechanism study and modeling of thermal runaway inside a high nickel-based lithium-ion battery through component combination analysis
저  자
홍종섭 교수(교신저자/연세대학교), 김민욱 석/박사 통합과정(제1저자/연세대학교), 전재영 석/박사 통합과정(제2저자/연세대학교)

국내 연구진이 전기차의 주요 동력원인 리튬 이온 배터리의 열폭주1) 메커니즘을 규명하고, 이를 개선할 핵심 기술을 확보했다.
  한국연구재단(이사장 이광복)은 홍종섭 연세대학교 교수 연구팀이 에너지 밀도가 높아 전기차용 이차 전지로 많이 사용되는 하이 니켈 양극재 기반 리튬 이온 배터리의 안전성 향상과 전기차의 신뢰성을 높일 원천기술을 개발했다고 7월 26일 밝혔다.
  리튬 이온 배터리는 높은 효율로 전기차의 주행거리 향상을 이끌었지만, 기계적·전기적으로 남용될 경우 열폭주 발생 우려가 높다. 또한 열폭주 시 가스 발생을 동반한 여러 부반응2)이 일어나고 폭발로 이어져 운전자와 차량의 안전이 위협받고 있다. 하이 니켈계 양극재의 열적 안정성 저하는 열폭주의 주요 원인 중 하나이다. 하지만, 지금까지 배터리 양극에서의 부반응 연구는 니켈 함량이 80% 이상인 양극에서의 경우 활발하게 이루어지지 못한 실정이다.
  열폭주 시 배터리 내부는 소재들이 물리적으로 접촉한 상태에서 다양한 부반응이 발생한다. 하지만, 지금까지는 이들 소재 간의 조합 실험 없이 각 전극에서 일어나는 현상을 개별적으로 고려한 한계가 있다.
  연구팀은 리튬 이온 배터리를 제작/충전/분해하여 4가지 구성요소인 양극, 음극, 전해액, 분리막 별 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.
  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”라고 밝혔다.
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 반응 공학 분야 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 7월 3일 게재됐다.

[주요내용 설명]

1. 연구의 필요성

전기 자동차 보급량이 증가함에 따라 동력원인 리튬 이온 배터리의 안전성 확보가 매우 중요해졌다. 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높아 전기차용으로 많이 사용되어 오고 있으나, 여러 기계적/전기적 남용으로 인하여 배터리가 폭발하는 열폭주가 발생하게 되고, 이는 운전자와 차량 자체의 안전을 심각하게 위협한다. 또한, 하이 니켈계 양극재 사용으로 인한 소재의 열적 안정성 저하는 열폭주의 주요 원인 중 하나이다.
  열폭주 시에 과도한 열이 발생하면 내부에서 가스 발생을 동반한 여러 부반응이 발생하며 이는 배터리 온도를 상승시키고 폭발을 초래한다. 현재 이러한 부반응에 관한 연구는 많이 진행됐지만, 니켈 함량이 80% 이상인 양극에서의 부반응에 관한 연구는 활발하게 이루어지지 않고 있는 점과 배터리 구성 요소 간의 체계적인 조합 실험 없이 각 전극에서 일어나는 현상을 개별적으로 고려하고 있는 등 여러 한계가 있다.
  따라서 이러한 문제점들을 극복하기 위해 하이 니켈계 양극재를 사용하는 리튬 이온 배터리의 소재 간 조합 실험을 통한 열폭주 메커니즘 규명 및 신뢰성 높은 열폭주 반응 모델 개발 연구가 필요하다.

2. 연구내용

이번 연구는 배터리 구성 요소 간의 체계적인 조합을 토대로 열분해 실험 기법(TGA-MS3)/DSC4))들을 이용해 하이 니켈계(NCM 811) 양극재를 사용하는 리튬 이온 배터리의 상온부터 500℃ 환경에서의 열폭주 반응 메커니즘을 규명하고, 이를 기반으로 높은 신뢰도를 가지는 열폭주 반응 모델을 개발했다.
  충전 상태의 배터리 셀을 만들고, 이를 분해하여 열분해 분석 실험을 위한 샘플을 제작했다. 총 15가지의 배터리 구성 요소의 조합을 이용하여 DSC 실험을 통해 반응 온도와 발열량을 확인하고, TGA-MS 실험을 통해 열분해 결과 변화하는 질량과 발생 가스를 분석하였다.
  확보한 반응 속도 파라미터를 이용하여 각 반응을 모델링하여 반응을 통한 내부 열량 변화를 반영하였고, 총 15가지 반응을 통한 활성 물질 및 전해액의 감소를 반영하여 열폭주 중 성능 저하를 간접적으로 모사할 수 있도록 내부 부피 분율 변화를 반영한 모델을 개발하였다. 또한, 내부 반응을 통하여 발생한 가스와 온도 및 부피 변화를 통한 압력 증가를 모사할 수 있는 모델을 제작하였다.
 
3. 연구성과/기대효과

배터리 구성 요소 간의 조합을 통한 열분해 실험 기법을 이용하여 하이 니켈계 양극재를 사용하는 리튬 이온 배터리의 열폭주 반응 메커니즘 및 반응 모델을 개발했다.
  이번 연구를 통해 제안한 메커니즘 및 모델은 다양한 비정상 상황에서 셀 성능 저하 및 열폭주를 예측하는 데 적용이 가능하다. 더 나아가 대면적 배터리 실험의 다양한 제약을 극복하고 배터리 안전성을 높이기 위한 기술 발전을 촉진할 수 있을 것이며, 열폭주 문제 해결을 통하여 전기자동차 안전성 향상 및 전기차 보급량 확대를 통한 전기차 시장 성장에 이바지할 수 있을 거라 기대되고 있다.

그림 1. 하이 니켈 양극재 기반 리튬 이온 배터리의 열폭주 메커니즘 규명을 위한 핵심 방법론 및 핵심 결과
하이 니켈계 양극재를 사용하는 리튬 이온 배터리의 열폭주 현상을 분석하기 위해서는 열폭주 시에 발생하는 반응 메커니즘 규명이 필요하다. 열폭주 반응 메커니즘 규명을 위해 리튬 이온 배터리를 제작/충전/분해하여 구성 요소별 소재를 확보한 후 내부 소재를 조합한 15가지 조합에 대해 열분해 분석을 진행했다. 열분해 경향을 이용하여 반응 메커니즘을 제안하고 이를 토대로 온도 별 열, 부피, 압력을 모사할 수 있는 열폭주 반응 모델을 만들어 분석하였다. (자료제공 : 연세대학교 홍종섭 교수)

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 9월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>