에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀,
더 안전하고 오래가는 전기 자동차 및 전자기기를 위한
리튬이온 배터리 안전성 향상 새로운 길 제시
- 수십 년간 밝혀지지 않았던 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성 원인 규명  
- 세계적 학술지‘Advanced Science’논문 게재 및 저널 커버 선정

[그림] 외부 온도증가에 따른 층상 구조 Ni-rich 양극소재 내 발생하는 열팽창 (thermal expansion)과 

산소결함 (oxygen vacancy) 의 발생과 그에 따른 결정구조 변화 및 상전이 과정에 대한 모식도

에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀 (제1저자 이은강 연구원)은 더 안전하고 오래가는 전기 자동차 및 전자기기를 위해 필수적인 리튬이온 배터리 안전성 향상에 새로운 길을 제시했다고 밝혔다. 

고성능 차세대 전기 자동차 및 전자기기들의 지속적이고 편리한 사용을 위해 리튬이온 배터리의 양극소재로 고함량 니켈계 층상구조 양극소재가 각광받고 있다. 하지만 니켈계 층상구조 양극소재의 고유한 열적불안정성 때문에 상용화에 어려움이 많았다.

이에 연구팀은 가열 중에 변화하는 고함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열분해 반응에 대한 체계적인 연구를 진행하였으며, 기존에 밝혀지지 않았던 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성의 원인은 가열 중 니켈이온에 의한 소재의 열팽창과 소재 내 산소결함의 발생이 상전이에 필요한 에너지를 낮춰주기 때문이라는 것을 규명하였다. 

나아가 연구팀은 고 에너지밀도를 위해 반드시 양극소재에 필요한 원소인 니켈이온이 층상구조 양극소재의 열적불안정성을 유발하는 메커니즘을 규명하고, 고함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열적불안정성 개선을 위한 핵심 인자(Key-factor)를 제시하였다. 

본 연구는 리튬이온 배터리의 안전성 개선을 위한 기존과 다른 새로운 통찰 및 방안을 제공함으로써 고성능 전기 자동차 및 전자기기 사용에서 가장 중요한 리튬이온 배터리의 안전성 향상시키는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

이은강 연구원은 “더 안전하고 오래가는 전기자동차 개발에 가장 걸림돌이 되어온 리튬이온배터리의 발화, 폭발 등의 안전성 이슈에서 중요 설계인자들을 도출함으로써 리튬이온 배터리의 안전성을 획기적으로 향상시킬 가능성을 열었다”고 연구 의미를 설명했다.

본 연구결과는 소재과학 분야 세계적 권위 학술지인 ‘Advanced Science’에 4월 24일(금) 온라인 게재되었으며, 5월 15일(금) 저널의 커버로 선정되었다.
    ※ 논문명: Tracking the Influence of Thermal Expansion and Oxygen Vacancies on the Thermal Stability of Ni‐Rich Layered Cathode Materials
    ※ 논문 출처 :
       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902413