리튬이온 배터리가 열화되는 메커니즘을 규명

Rechargeable battery. https://www.wikiwand.com/en/Rechargeable_battery

스마트폰과 전기자동차 등의 전원으로 사용되는 리튬이온 배터리는 계속 사용하면 용량이 저하되어 가는 것으로 알려져 있습니다. 그런 배터리의 열화 메카니즘이 스탠포드대학의 연구팀에 의해 규명되었습니다.

Persistent and partially mobile oxygen vacancies in Li-rich layered oxides | Nature Energy
https://www.nature.com/articles/s41560-021-00832-7

Scientists discover how oxygen loss saps a lithium-ion battery’s voltage | SLAC National Accelerator Laboratory
https://www6.slac.stanford.edu/news/2021-06-11-scientists-discover-how-oxygen-loss-saps-lithium-ion-batterys-voltage.aspx

Scientists discover how oxygen loss saps a lithium-ion battery’s voltage

연구팀에 따르면, 리튬이온 배터리의 열화는 리튬이온 배터리에 포함된 산소가 누출되면서 일어난다는 것. 그러나 500회 충전 사이클에서 누출되는 산소의 양은 전체의 6%로 1회 충전 사이클마다 누출되는 산소의 양이 너무 적은 탓에 그 메커니즘은 관찰되어 오지 않았습니다. 따라서 이번 연구에서는 산소의 손실로 변화하는 주위 입자의 화학적 성질과 구조를 관찰함으로써 산소가 누출되는 메커니즘을 간접적으로 관찰했습니다.

Photo: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

연구팀은 다양한 횟수의 충전 사이클을 거친 리튬이온 배터리를 분해하여 로렌스 · 버클리국립연구소의 특수 X선현미경을 사용하여 10억분의 1미터 스케일로 리튬이온 배터리를 구성하는 나노입자의 구조를 관찰했습니다.

연구팀에 따르면, 지금까지 리튬이온 배터리의 산소는 나노입자의 표면에서 누출되는 것으로 간주했었다고 합니다. 그러나 이번 관찰 결과 산소는 초기에 나노입자의 표면에서 흘러나온 후 나노입자의 내부에서도 누출되는 것을 발견했습니다. 또 나노입자들이 덩어리를 형성하는 경우 산소가 누출되는 양이 적어지는 것으로 나타났습니다.

연구팀은 '산소를 잃은 나노입자는 최밀구조를 형성하기 위해 안쪽으로 붕괴할 것'이라고 예상하였고 산소를 잃은 나노입자의 구조변화를 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석했습니다. 그 결과, 의외로 "나노입자를 구성하는 금속이온이 이동하지만, 나노입자의 구조는 변화하지 않는다'는 것을 발견했습니다.

연구팀의 일원인 윌 츄 씨는 "이 금속이온의 재배열은 산소의 부족에 기인하고 있으며 시간이 지남에 따라 배터리의 전압 및 효율을 저하시키고 있습니다. 우리는 이 현상의 개요를 이전부터 알고 있었지만 메커니즘은 불분명했다"고 이번 발견에 대한 기쁨을 나타냅니다.

츄 씨는 "이번 연구를 통한 과학적인 이해는 산소 손실과 손상 효과를 완화하는 새로운 방법의 개발로 이어질 수 있다"며 리튬이온 배터리의 열화를 줄이기 위한 연구에 매진할 예정이라고 합니다.