전기차 주행거리 1,000km 시대 열린다!
DGIST, 고용량·고안전성 양극소재 개발
- DGIST 박경수 ‧ 가천대학교 박광진 교수 공동연구팀, 니켈리치 양극재 성능 저하 원인 밝혀내고 해결책 제시
- 전기차 주행거리와 안전성의 획기적 향상 기대돼 … 연구결과는 세계적 학술지‘ACS Nano’에 게재
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기차 주행거리 1,000km 시대 열린다!
DGIST, 고용량·고안전성 양극소재 개발
- DGIST 박경수 ‧ 가천대학교 박광진 교수 공동연구팀, 니켈리치 양극재 성능 저하 원인 밝혀내고 해결책 제시
- 전기차 주행거리와 안전성의 획기적 향상 기대돼 … 연구결과는 세계적 학술지‘ACS Nano’에 게재
□ DGIST(총장 이건우) 화학물리학과 박경수 교수 연구팀은 가천대학교 박광진 교수팀과 공동 연구를 통해 전기차 배터리의 핵심 부품인 양극재를 한 단계 더 발전시켰다. 연구팀의 성과는 고용량·고안전성 리튬이온 배터리 소재 개발을 위한 새로운 지평을 열 수 있을 것으로 기대된다.
□ 리튬이온 배터리의 핵심 구성요소인 양극재는 배터리의 용량, 수명, 출력 특성, 안정성 등 주요 성능을 결정하는 중요한 물질로, 리튬 이온을 저장하며 전기에너지를 전달하는 역할을 한다. 니켈 함량이 높은 NCM(Nickel Cobalt Manganese) 양극재는 기존 소재보다 더 많은 에너지를 담을 수 있어 전기차 주행거리를 크게 늘릴 수 있는 장점이 있다.
□ 하지만, 니켈 함량이 많을수록 반복적인 충·방전 과정에서 입자 균열과 급격한 용량 감소가 발생하고, 다량의 가스배출로 안전성이 저하되는 문제점이 있다.
□ 연구팀은 이를 해결하기 위해 니켈리치 NCM 양극소재의 성능저하와 가스 발생 원인을 정밀하게 분석했다. 연구팀은 투과전자 현미경 분석 및 표면 분석 기술 등 고도의 분석기법을 활용해 양극재 내부의 변화를 관찰했다. 이러한 분석을 통해 낮은 초기 충전 전압에서 표면에 나노 크기의 공극이 형성되며, 이로 인해 배터리 성능이 저하된다는 사실을 밝혀냈다.
□ 나아가 연구팀은 기존의 복잡한 도핑이나 표면 처리 공정을 사용하지 않고도 초기 활성화 충전 전압을 높이는 간단한 방법으로 양극재의 구조적 붕괴를 방지할 수 있음을 입증했다. 초기 전압을 높게 설정하면 양극재의 구조가 안정적으로 유지되며, 나노 균열이나 성능 저하를 방지할 수 있었다.
□ 박경수 교수는 “이번 연구는 지금까지 불분명했던 니켈리치 양극소재의 성능저하 원인을 원자수준까지 규명하고, 이를 통해 양극소재의 고용량과 고안전성을 용이하게 확보할 수 있는 새로운 방안을 제시한 데 의의가 있다.”며 “이를 기반으로 주행거리 1,000 km 시대를 여는 차세대 리튬이온 배터리 개발에 기여하겠다.”라고 밝혔다.
□ 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 세계적 학술지‘ACS Nano’에 1월 21일자 온라인 게재되었다.
** 연 구 결 과 개 요
Formation Cycle Control for Enhanced Structural Stability of Ni-Rich
LiNixCoyMn1‑x‑yO2 Cathodes
(Sungmin Na, Rena Oh, Jungyeon Song, Myoung-Jae Lee, Kwangjin Park,* and Gyeong-Su Park*)
(ACS Nano, on-line published on 01.21.2025)
니켈리치 NCM (Ni-rich NCM) 양극소재는 높은 에너지 밀도의 리튬이온 배터리 구현을 가능하게 한다. 하지만, 니켈 함량이 증가할수록 전극과 전해액 계면에서의 다양한 형태의 부반응으로 복잡한 상변태가 일어나고, 이는 궁극적으로 리튬이온 배터리의 급격한 용량 감소를 초래하는 문제가 있다.
본 연구에서는 이러한 니켈리치 NCM의 성능저하 문제를 해결하기 위한 새로운 접근 방식을 제시하였다. 특히, 초기 활성화 단계에서의 전압 제어를 통해 배터리 수명 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 발견하였다.
구체적으로, 0.1 C의 C-rate와 높은 차단전압 (cutoff voltage)으로 초기 활성화한 이후에 1 C의 C-rate로 충방전 사이클을 진행할 경우, 니켈리치 NCM (Ni 88%) 입자들의 수명 안전성이 크게 증가하는 새로운 현상을 확인하였다.
반면, 낮은 차단전압으로 초기 활성화를 진행할 경우에는 전극과 전해액 계면에서 비가역적인 전해액 분해로 인해 니켈리치 NCM 일차 입자들 (primary particles) 표면에 산소 공공 (oxygen vacancy)이 생성됨을 확인하였다. 이러한 산소 공공은 일차 입자 내 나노 공극(nanovoid) 형성과 직접적으로 연관이 있음을 입증하였다.
또한, 50 회의 충방전 사이클 이후에는 일차 입자들 표면에 나노 공극 뿐만 아니라 NiO와 유사한 구조의 암염상 (rocksalt phase)들이 증가하여 표면이 크게 열화됨을 관찰하였다.
이러한 표면 열화는 결국 리튬 이온의 이동을 방해하는 이종구조들의 상들이 NCM 입자들 내에 국부적으로 광범위하게 분포하여 구조적인 불안정을 야기하고 스트레인을 형성시키는 원인이 되고 결과적으로 나노 균열 (nanocrack)의 생성 및 확산을 야기함을 밝힐 수 있었다.
본 연구는 초기 활성화 단계에서 전압을 정밀하게 제어하는 혁신적인 방법을 통해 추가적인 공정 없이 니켈리치 NCM 입자들의 표면구조를 효과적으로 안정화할 수 있음을 입증함으로써 고성능 리튬이온 배터리 개발에 중요한 돌파구를 마련하였다.
** 연 구 결 과 문 답
Q 이번 성과 무엇이 다른가?
∘ 양극재란 배터리의 양극을 이루는 원소재로 배터리가 충/방전할 때 전자의 이동에 따라 이를 저장하고 방출하는 역할을 한다. 특히, 니켈 리치 NCM 양극재는 기존의 리튬코발트 산화물 (LCO)보다 가격 경쟁력이 우수하며, 50% 이상 용량도 높다. 하지만 내구성 문제로 인해 반복적인 충·방전 과정에서 입자 균열과 급격한 용량 감소가 발생하고, 다량의 가스배출로 안전성이 저하되는 문제점이 있다.
∘ 이번 연구는 니켈리치 NCM 양극재 (Ni 88%)를 낮은 차단전압으로 초기 활성화시킨 후 충방전 사이클을 반복할 경우, 일차입자 표면에서 나노 공극 및 나노 균열들이 높은 밀도로 형성되고 이는 NCM 양극재의 성능 저하 및 가스발생과 밀접한 연관이 있음을 고분해능 분석기법으로 확인하였다.
∘ 기존의 도핑 및 표면 처리 공정과 달리, 초기 활성화 단계에서의 차단전압을 정밀하게 제어하면 추가 공정 없이 양극 활물질의 구조 붕괴를 효과적으로 억제할 수 있음을 입증하였다.
Q 어디에 쓸 수 있나?
∘ 이번 연구는 배터리의 핵심소재인 니켈리치 NCM 양극재를 도핑 및 표면 처리와 같은 추가 공정 없이 용량과 안전성을 효과적으로 향상 시키는데 활용할 수 있다.
Q 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
∘ 현재 실험실 수준에서 성능 향상 및 재현성을 확인하였고, 실제 배터리 셀 구조에서 신뢰성 테스트 등을 통해 최적화가 검증된다면 양산에도 적용 가능할 것으로 판단된다.
Q 연구를 시작한 계기는?
∘ 기존의 도핑 및 표면 처리 공정 없이 니켈리치 NCM 양극재의 출력 성능 및 안정성을 향상시키는 방법을 개발하기 위해 연구를 시작했다. 특히, 니켈리치 NCM 양극재의 경우 전해액과 양극재 간의 계면을 안정화시키기 위한 초기 활성화 과정에서 차단전압의 차이에 따라 배터리의 충방전 특성이 크게 달라짐에도 불구하고 그 원인을 규명하는 연구가 전무한 상태였다.
Q 어떤 의미가 있는가?
∘ 이번 연구는 지금까지 불분명했던 니켈리치 NCM 양극소재의 성능저하 원인을 원자수준까지 규명하고, 이를 통해 NCM 양극소재의 고용량과 고안전성을 추가공정 없이 효과적으로 확보하기 위한 새로운 방법을 제시한 데 의미가 있다.
Q 꼭 이루고 싶은 목표는?
∘ 이를 기반으로 주행거리 1,000km 시대를 여는 차세대 리튬이온 배터리 개발에 핵심적인 원천기술 연구를 지속적으로 진행하고자 한다.
** 그 림 설 명
0.1 C의 C rate와 높은 차단전압 (≥4.35 V)으로 초기 활성화한 이후에 1 C의 C rate로 충방전 사이클을 돌리면 니켈리치 NCM (Ni 88%) 양극 활물질들의 구조적 안전성이 크게 증가하였다. 반면에 낮은 차단전압 (4.25 V)으로 초기 활성화를 진행한 경우, 충방전 50회 사이클 이후에 일차 입자들 표면에 nanovoid 및 nanocrack들의 형성이 크게 확산되어 니켈리치 NCM 입자들의 표면구조가 크게 열화됨을 확인하였다.
NCM: 니켈-코발트-망간 (LiNixCoyMn1-x-yO2)
** DGIST 화학물리학과 박경수 교수 프로필
학력사항
1995년 일본 Tohoku 대학교 재료물성 (박사)
1986년 서울대학교 금속공학 (석사)
1980년 인하대학교 금속공학 (학사)
주요경력
2023년~현재 대구경북과학기술원 산학협력중점교수
2018년~2023년 서울대학교 재료공학부 산학협력중점교수 및 연구교수
2016년~2024년 한국현미경학회 부회장 (학계)
2012년~현재 Applied Microscopy 편집위원
1995년~2017년 삼성전자 종합기술원 임원 및 분석과학그룹 그룹장
2005년 미국 UIUC 방문 연구원
1989년~1992 포항산업과학기술연구소 주임연구원
주요 학술 업적
◆ 2차원 High-Tc 초전도체 입자의 3차원 원자결합구조 규명: Science 논문게재 (1998)
◆ In-situ electrical probing TEM 기술 개발: Nature Nanotechnolgy 논문 게재 (2010)
◆ 단일 금 나노입자의 국부 표면 플라즈몬 공명 특성을 나노스케일로 측정할 수 있는 신분석 기술 개발: Advanced Materials 논문게재 (2021)
◆ 페로브스카이트 나노입자의 원자레벨 합성 메커니즘을 low dose mode투과전자현미경 분석법으로 규명: Nature 논문게재 (2022)
◆ SCI 학술지 논문 게재 총 142편, 해외 특허 등록 9건
주요 상훈
◆ 1992년~1995년 일본문부성 장학생
◆ 2002년 삼성기술상
◆ 2010, 2014년 삼성 논문상 (은상, 동상)
◆ 2003년~2009년 삼성종합기술원 Master
◆ 2010년~2017년 삼성전자 전사 Master (임원)
선진상사는
사업장 비배출 시설계 폐기물 관련 허가업체로서
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