[아하!] 전기차 급속충전 시 배터리성능 저하, 원인은?

"불완전하게 회복된 전극 물질의 내부 변형 때문"

[프라임경제] 문재인 정부 공약 중 하나는 전기차를 비롯한 친환경차 보급 확대인데요. 이는 제4차 산업혁명 시대 신성장동력 육성에 따른 환경이슈 해결책이기도 해 업계의 큰 관심을 받고 있습니다.

다만, 업계에서는 인프라가 갖춰지지 않은 시점에서의 전기차는 사실상 '계륵(鷄肋)'이라는 이야기가 나옵니다. 연료비 부담이 적고 승차감도 뛰어나지만, 충전을 못하면 '관상용 차'가 될 수밖에 없다는 이유인데요.

환경부에 따르면 올해 4월 기준 전국적으로 설치된 전기차 충전기는 급속 1320기, 완속 1406여대라고 합니다. 올해 안에 전기차 누적 등록 대수가 2만대를 넘어선 것을 감안한다면 턱없이 부족한 수준입니다.

최근 국내 연구진에 의해 전기자동차의 급속 충전 시 손상이 발생하는 이유가 밝혀졌다. ⓒ 뉴스1

문제는 또 있습니다. 전기차를 고속으로 충전할 경우, 차량 내에 탑재된 배터리 효율이 지속적으로 떨어진다는 점인데요. 완속 대비 충전속도가 10배가량 빠른 급속충전이 실생활에서 유용하게 이용된다는 점에서, 이는 꼭 풀어내야 할 과제로 분류돼 왔습니다.

그럼에도 업계에서는 지금껏 효율저하의 이유조차 알지 못하는 상황이었는데요.

최근 국내 연구진에 의해 실마리가 풀렸습니다. 한국과학기술연구원(이하 KIST) 공동연구팀은 29일 이 문제에 대해 전기차 배터리에 사용되는 '리튬이온전지(LIB, Lithium-ion battery) 특성' 때문이라고 밝혔는데요.

연구팀에 따르면, 리튬이온전지는 충전 과정에서 리튬 이온이 내부의 전해질을 통해서 양극에서 음극으로 이동한다고 합니다. 이때 급속으로 충전하게 되면, 리튬이온이 전극 및 전해질을 거쳐 전달되는 속도가 충분히 빠르지 못해 전지의 용량과 수명이 급격히 감소된다고 하는데요.

KIST 연구팀은 유기용매 전해액과 맞닿아 있는 전극 표면에서 전지 열화나 열 폭주 현상이 시작하는 것에 주목했습니다. 

고 분해능 이미징 기법을 비롯해 전자에너지 분광 분석법, 전자 회절 분석법 등 다양한 투과전자현미경 분석기법을 활용, 수년간 연구한 끝에 전이 금속 간 함량 차이를 가지는 3원계 양극소재(NCM)에서 급속 충·방전 시 발생하는 열화 메카니즘을 규명했습니다. 충전 속도에 따라 전극 물질 표면에서의 내부구조 변형과 회복 정도가 방전 속도에 따라 다르게 나타나는 것도 확인했죠.

즉, 고속 충전 시 배터리 손상은 '불완전하게 회복된 전극 물질의 내부 변형' 때문이라는 결론입니다.

이번 연구에 참여한 장원영 KIST 박사는 "전지의 안전성이 무엇보다도 강조되는 중대형 이차전지 개발에 있어서 이번 연구가 전극 소재의 설계 인자를 찾아가는 고도 분석 연구의 발판이 되길 바란다"고 소감을 밝혔는데요.

이에 더해 "이번 분석 플랫폼을 활용해 전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 연구에 매진하겠다"고 강조했습니다.