[한국기술뉴스] GIST 지구‧환경공학부 이재영 교수 연구팀은 인하대학교 화학공학과 최진섭 교수 연구팀과 공동으로 고속 충·방전 데이터의 IC-DV데이터를 이용하여 리튬이온배터리의 열화상태를 빠르게 진단하는 방법의 기초를 마련했다.

리튬이온전지는 반복되는 충·방전 반응 동안 용량을 떨어뜨리는 다양한 열화 요인이 발생하는 것으로 알려져 있다. 

각 요인들이 서로 복잡하게 영향을 주기 때문에 명확한 구별은 어려우나 리튬원 손실(LLI), 활물질 손실(LAM) 그리고 전도도 손실(CL) 크게 세 가지로 구분된다. 

LLI는 전해질의 분해반응으로 음극 표면에 고체전해질계면(SEI layer)이 점차 두껍게 형성되고 이로 인한 전해질 소모로 리튬이온원의 고갈이 발생하는 열화모드이다. 

한편, 음극 및 양극 활물질의 격자 내로 리튬이 반복하여 탈삽입이 이루어지면 입자의 구조가 열화되고 용량이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며 LAM 열화모드로 분류된다. 또한, 전극이 집전체로부터 떨어져 나가거나 전극 물질들 간의 크랙 발생으로 이온 및 전자이동이 저하되는 경우 전도도 손실이 발생할 수 있으며 CL로 분류된다.  

이러한 리튬이온배터리의 열화 모드를 분석하기 위해 다양한 방법이 존재하지만, 셀을 분해하지 않고 열화상태를 판단하는 방법 중 가장 널리 쓰이는 방법인 IC-DV는 유사개방회로의 준 평형상태에서 전압곡선을 얻어야 해 측정시간이 매우 오래 걸리는 문제가 있다. 

연구팀은 흑연 음극과 LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2양극활물질로 0.25Ah과 1Ah의 파우치형 셀을 제작하였고, 이를 4C 및 6C의 속도로 45°C 고속 충·방전조건에서 열화시켰다. 

사이클이 진행됨에 따라 얻어지는 전압 곡선을 dQ/dV, dV/dQ로 변환하여 양극과 음극 각각의 용량퇴화가 어느 쪽에서 더 우세하게 일어나는지 확인하였다. 

이후 유사개방회로 상태인 저속(0.1C) 데이터와 고속(4C, 6C)데이터의 전압곡선으로부터 LLI, LAM 수치를 비교 분석하였다.

본 연구팀에서는 저속 IC-DV, 고속 IC-DV의 비교를 통해 C-rate와 LAM의 비선형성과 LLI와의 선형성을 확인하였다. 

열화된 셀의 용량은 C-rate의 변화에 덜 영향을 받았으며, 이는 열화셀의 활물질 열화로 인한 빨라진 확산 특성에 기인한다는 것을 확인하였다. 또한, 음극의 SEI 층의 성장에 비례하는 LLI를 고속 충방전 데이터로부터 외삽할 수 있음을 확인했다. 

본 연구는 제한된 시간 내에 고전류 사이클링에서 복잡한 열화모드를 분석하는 간략한 프로세스를 제공하며, 이는 온보드 배터리 관리시스템에서 유용할 수 있다.

GIST 이재영 교수는 “이번 연구는 향후 몇 년 안에 다량 발생할 것으로 예상되는 폐배터리의 재사용 기준을 마련하는데 중요한 기초자료로 활용될 수 있다”고 설명했다. 

인하대 최진섭 교수는 “짧은 시간 안에 셀의 건강상태를 간단히 확인할 수 있어 경제적으로나 친환경적으로나 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.