기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 현택환 단장, 성영은 부연구단장과 고려대 유승호 교수 연구팀이 리튬이온 배터리에서 일어나는 열화 과정의 근본 원인을 규명했다고 밝혔다.
일반적으로 축전지라고 불리는 충ㆍ방전이 모두 가능한 이차전지는 충전 시 리튬이온이 음극으로 이동하고, 방전 시에는 양극으로 이동하는 반응이 일어난다.
현재 대부분의 전자기기에 사용되는 리튬이온 배터리의 충ㆍ방전 과정에서는 열이 발생하는데, 이것이 배터리의 수명과 성능에 영향을 주는 것으로 알려졌지만 분자 수준에서 어떤 화학적 변화가 일어나는지는 규명되지 않았다.
연구진은 우선 이산화타이타늄을 전극(음극)으로 사용하는 리튬이온 배터리를 제조했고 이어서 충ㆍ방전 시 온도를 다르게 한 상태에서 X선 회절 분석법을 이용해 이산화타이타늄 전극에서 일어나는 구조 변화를 관찰했다.
그런데 분석 결과 일상적인 40도 수준의 열 조건에서도 1차 상변화 이후 2차 상변화까지 발생했다.
2차 상변화에 따른 전극의 구조 변화를 관찰한 결과 상변화에 따라 에너지 장벽이 높아지면서 이산화타이타늄 전극 내부에서 리튬이온 이동이 쉽게 일어나지 못하기 때문에 리튬이온이 점점 쌓이게 되고 결국 이산화타이타늄 나노입자가 쪼개지면서 전극에 결함이 발생하게 되었다.
기존에는 배터리를 충전하면 리튬 이온이 음극으로 이동하여 이산화타이타늄 전극과 반응해 상을 변화시킨다고만 알려져 있었기에 정확한 이유를 알아낸 것은 이번이 처음이다.
성영은 부연구단장은 "최근 전기자동차에 대한 수요가 늘면서 배터리 성능에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다"며 "이번 연구를 통해 안정적이고 오래 사용할 수 있는 차세대 배터리 설계에 기여할 것"이라고 말했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '미국화학회지'(Journal of the American Chemical Society)에 실렸다.