폭발·발화 위험 없는 안전한 배터리 기술 개발

국내 연구진이 폭발과 발화 위험이 없는 안전한 배터리를 만들 수 있는 기술을 내놨다.

울산과학기술연구원(UNIST) 정성균 교수 연구팀은 배터리 고온 작동 환경에서 양극 소재의 미세구조 변화와 산소 발생 간 상관관계를 규명하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.

배터리 양극에서 나오는 산소가 유기계 배터리 전해질과 만나면 고온의 작동환경에서 연소 반응을 통해 발화와 폭발 위험의 원인으로 작용한다. 이 때문에 배터리 내부에서 산소가 어떻게 발생하는지와 얼마나 생기는지를 알아내면 보다 안전한 배터리를 개발할 수 있다.

연구팀은 양극 소재 내 코발트 성분 함량을 높여 산소 발생을 줄이는 새로운 설계 원리를 찾아냈다. 코발트가 많을수록 산소 발생의 주요 원인이 되는 암염(다이아몬드와 같은 결정구조를 지닌 광물) 구조로 상전이되는 것을 늦출 수 있다는 사실을 알아낸 것이다. 상전이는 소재 내 원자 배열 모양과 위치가 바뀌는 현상으로, 양극 소재가 고온에 노출되면 생긴다.

연구팀은 중성자회절분석 기법을 통해 양극 소재에 포함된 니켈, 코발트, 망간 등과 같은 금속 원소를 쉽게 구분하고, 기체질량 분석법으로 양극 소재 내 산소 발생량을 정확하게 분석했다.

이 과정에서 양극 소재 내 코발트가 전이금속층에서 리튬층으로 이동하면서 상전이가 발생하고, 전극에서 산소가 일부 발생하는 것을 실험을 통해 확인했다고 연구팀은 설명했다. 코발트가 암염구조로 상전이를 지연시켜 산소 발생을 늦춘다는 사실을 알아낸 것이다.

정성균 UNIST 교수는 "이 연구는 안전한 배터리를 위한 양극 소재 조성 설계에 대한 가이드라인을 제시하는 데 큰 역할을 할 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(지난 15일자)' 온라인판에 실렸고, 김형섭 원자력연 박사와 강기석 서울대 교수 연구팀이 연구에 공동 참여했다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr