전기차 배터리 화재의 열쇠 '알루미늄'

전극 소재의 열분해 메커니즘 규명

충전시 알루미늄 원소 부족해져 열안정성 떨어져

3세대 전기차용 안전한 소재 설계 발판

전기차용 양극소재로 널리 쓰이는 NCA (니켈, 코발트, 알루미늄)에서의 배터리 화재의 위험성을 줄여줄 수 있는 알루미늄 원소의 역할을 그린 예상도.

[아시아경제 황준호 기자] 최근 연이어 전기자동차의 배터리 화재 사고가 일어나고 있는 가운데, 배터리 화재의 원인을 밝힌 연구 결과가 나왔다. 연구진은 연구진은 양극 소재의 화학적 구성에 따른 열적 불안정성이 화재의 원인이 될 수 있으며 이를 조절하면 화재를 막을 수 있을 것으로 예상했다.

한국과학기술연구원의 장원영 에너지저장연구단 박사, 김승민 탄소융합소재연구센터 박사의 공동 연구팀은 배터리 양극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼(분석기법)을 개발했다고 3일 밝혔다. 관련 연구 결과는 국제 학술지인 나노에너지에 최신호에 실릴 예정이다.

양극소재 구성 성분에 따라 화재 원인 발생

실제 상한 충전상태에서의 NCA양극 소재의 화학 조성에 따른 열안정성 차이 원인 규명

연구팀은 전기 자동차용 하이-니켈계 양(+)극 소재의 미세한 화학조성의 변화에 따른 열분해 메커니즘의 변화를 규명했다. 연구팀은 전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등 투과전자현미경 분석기법으로, 온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성 성분의 화학적 변화를 면밀히 살폈다. 이 결과, NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극 소재에서의 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리의 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명했다.

연구팀은 NCA 양극 소재에서 니켈 비중을 높이면 배터리 용량이 커지지만 실제 상한 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 열 안정성이 크게 저하된다고 밝혔다. 다시 이를 분석해 보면 실제 산화/환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중 열 안정성을 저하시킬 수 있는 새로운 상(O1 Phase)을 형성하게 되는데, 이 새로운 상의 불안정한 표면 구조가 열 안정성 저하의 원인으로 작용한다고 분석했다.

배터리의 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 발생한다고 알려져 있는데, 이를 구체적으로 규명해낸 것이다.

미량의 원소 혼입해 고성능 양극소재 개발 가능

NCA 양극 소재에서의 니켈과 알루미늄의 교환으로 인한 전지성능과 열안정성과의 상충적 관계

장원영 박사는 "최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 발화 원인이 배터리인 경우가 많았다. 이번 연구를 통해 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다"고 밝혔다.

김승민 박사는 "발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 대중적 보급에 매우 중요한 역할을 한다. 이번에 개발한 고도 분석기법(플랫폼)을 통해 향후에는 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악해, 안정성이 확보된 고성능 양극소재를 개발할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

한편 배터리의 양극은 충전용량(주행거리)을 결정짓는 핵심적인 역할을 한다. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합하여 제작한다. 최근 개발 중인 3세대 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있어서, 이로 인한 안정성 저하를 필수적으로 개선해야 한다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr
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