화학공학/고분자공학부 양우석 교수 연구팀, 대용량 배터리의 성능 저하 원인 규명

- 대용량 후막 흑연 전극의 성능 열화 과정 규명

- 전기화학적 임피던스 분광법 활용한 비파괴 분석의 기준 제시

▲ (왼쪽부터) 성균관대 양우석 교수, 한국기계연구원 우규희 박사, 성균관대 윤진수 석사과정생, 성균관대 장소희 석사과정생

화학공학/고분자공학부 양우석 교수 연구팀은 전기화학적 임피던스 분광법을 기반으로 리튬 이온 전지의 흑연 후막 음극의 열화 원인을 밝혀냈다고 밝혔다.

리튬 이온 배터리에 대한 수요가 급속도로 늘어남에 따라 고용량 배터리를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 리튬 이온이 저장량이 높아지도록 후막 전극을 사용하는 배터리가 주목받고 있으나 낮은 안정성 등의 성능적인 단점으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다.

양 교수 연구팀은 한국기계연구원 우규희 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 배터리를 분해하지 않고 전기화학적으로 배터리의 내부 저항을 측정할 수 있는 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 기반으로 흑연 후막 전극의 열화 원인을 해석하고 이를 통한 배터리의 열화 예측이 가능함을 학계에 보고하였다.

▲ 전기화학적 임피던스 분광법을 통해 제시한 흑연 후막 전극의 열화 과정

해당 연구는 흑연 후막 음극에서 발생하는 저항을 전기화학적 임피던스 분광법이라는 비파괴 분석을 통해 측정하여 후막에서만 발견되는 새로운 저항 성분을 제시하고 그 원인을 규명하였다. 리튬 이온이 비정상적으로 증착된 형태인 리튬 덴드라이트가 후막 전극 열화 원인임을 제시하였으며, 해당 열화 원인의 유무를 배터리 분해없이 확인할 수 있는 기준을 제시하였다.

양우석 교수는 “전기화학적 임피던스 분광법을 활용한 후막 전극 열화 원인 해석은 단순한 원인 도출 뿐만 아니라 배터리 열화를 예측할 수 있는 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대된다”며 “현재 상용화되어 있는 리튬 이온 배터리 이외에도 차세대 배터리로서 연구되고 있는 건식 전극 등 다양한 연구 분야에서도 참고 및 활용될 수 있는 분석 모델”이라고 설명했다.

연구팀의 이번 연구는 그 성과를 인정받아 국제학술지인 저널 오브 인더스트리얼 앤 엔지니어링 케미스트리(Journal of Industrial and Engineering Chemistry, IF:5.9) 10월호에 게재될 예정이다.

※ 논문명: Deciphering the degradation mechanism of thick graphite anodes in high-energy-density Li-ion batteries by electrochemical impedance spectroscopy

※ 저널: Journal of Industrial and Engineering Chemistry (IF:5.9)

※ 저자명: Wooseok Yang, Kyoohee Woo(교신저자), Jinsoo Yoon, Sohui Jang(제1저자), Su Hyun Choi, Jaemin Park, Kwang Ho Kim, Ho Seok Park, Sunho Jeong, Sin Kwon(공저자)

※ DOI: doi.org/10.1016/j.jiec.2024.04.020