전기자동차(EV) 배터리의 수명을 연장하고 안전한 배터리를 만들 수 있는 새로운 기준이 제시됐다.

현재 전기차 배터리 시장에서 리튬이온 배터리가 가장 널리 사용되고 있지만, 화재 위험과 비싼 비용 문제로 어려움을 겪고 있는 상황이다.

최근 이 분야의 연구가 진전을 보이고 있다. 야후 뉴스에 따르면, 텍사스 대학교(UT) 오스틴캠퍼스 연구팀은 전기자동차용 배터리에서 사용되는 니켈 기반 음극의 균열 원인을 확인했다고 보도했다. 이 발견은 배터리의 충전 수명을 연장하고 더 안전한 배터리를 제작하는 데 중요한 발전으로 평가된다.

니켈 기반 음극은 배터리의 주요 부품 중 하나로, 사이언스다이렉트(ScienceDirect)에 따르면, 사이클 수명에 대한 의문이 있지만 높은 용량과 밀도를 제공하는 것으로 알려져 있다.

전기자동차 배터리의 수명을 단축시키는 음극 균열 문제는 오랜 기간 사용으로 인한 마모로 인해 발생하는 것으로 여겨져 왔다. 이 문제는 대부분의 업계 전문가들에 의해 '필연적'인 현상으로 인식되어 왔다.

그러나 UT 연구팀은 이러한 균열이 전해질과 음극 사이의 반응과 더 밀접한 관련이 있다는 새로운 발견을 했다. 이 발견은 파워 팩의 유용성을 확장하고, 더 나은 화학적 구성을 가진 배터리를 개발하는 데 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 보인다.

연구팀의 책임자 아루무감 만티람(Arumugam Manthiram)은 "이 분야의 전반적인 이해에 오류가 있었으며, 우리는 이러한 오해를 바로잡고 전해질에 더 많은 주목을 기울여야 함을 보여주고 싶다"고 말했다.

이러한 연구 결과는 배터리의 안전성을 향상시키고, 이미 성장하고 있는 전기자동차 부문의 확장에 기여할 수 있는 새로운 검사 방법과 업계 노력의 일부로서 중요한 의미를 가진다.

리튬 이온 배터리에서 충전 및 방전 과정 중에 리튬 이온은 양극과 음극 사이를 오가며 이동한다. 미국 에너지부에 따르면, 이 이온들은 전해질이라고 불리는 용액(액체 또는 고체 형태일 수 있음)을 통해 이동한다.

UT 연구팀이 최근에 발견한 문제의 핵심은 바로 이 전해질과 관련된 것이다. 연구팀 책임자 아루무감 만티람은 실험실 보고서에서 "전해질이 음극 표면과 반응하여 균열 형성을 증가시킨다는 사실을 발견했다"고 밝혔다.

UT 팀은 배터리 작동 중에 가역적인 균열이 발생한다고 보고했는데, 이 보고서에 따르면 전해질은 이러한 균열로 침투하여 음극에서 산소를 제거하고 균열을 고정시킨다.

배터리 전문가들은 리튬 이온 배터리에서 발생하는 문제를 이해하기 쉽게 설명하기 위해 이 과정을 강둑이 침식되는 강에 비유했다. 이들의 견해에 따르면, 전해질이 음극 표면에 미치는 영향이 배터리 열화의 주요 원인으로 지목되고 있다.

이번 발견을 통해, 연구팀은 이제 더 많은 배터리 전문가들이 균열 문제 해결을 위해 전해질과 음극 간의 상호작용에 초점을 맞추기를 기대하고 있다. 실제로, 새로운 양극재를 개발하는 것보다 기존 양극재의 문제를 해결하는 것이 더 효과적일 수 있다는 의견이 제시됐다.

또한, 전 세계의 연구소에서는 최적의 배터리 성능을 달성하기 위해 다양한 금속 혼합을 탐구하고 있다. 이러한 연구에는 철이나 공기와 같은 일반적인 요소들도 포함되어 있으며, 이는 전기자동차 배터리의 성능과 안정성 향상을 위한 중요한 연구 분야로 자리잡고 있다.

UT 연구원인 스티븐 리(Steven Lee)는 전해질 사용의 개선이 배터리 수명 연장에 중요한 역할을 할 수 있다고 강조했다. 리는 "상업적인 측면에서 보면, 입증되지 않은 이국적인 구조 수정 방법에 의존하는 것보다 더 나은 전해질을 사용하는 것이 훨씬 더 확장성이 뛰어나다"고 밝혔다. 그는 이어 "우리의 접근법은 배터리 수명을 연장하기 위한 더 쉬운 해법을 제공할 수 있는 새로운 관점으로 배터리 커뮤니티를 교육하는 것"이라고 덧붙였다.

한편, 전문가들은 전기차 사용의 증가와 함께 배터리 안정성이 중요한 경쟁 요소가 될 것으로 전망하고 있다. 이에 따라, 한국은 2023년 9월 여의도 전경련회관 콘퍼런스센터에서 전기차 및 에너지저장시스템(ESS) 화재의 원인 분석과 예방, 진압에 관한 기술 세미나를 개최했다.

전기차 화재의 주요 원인으로는 노화에 따른 성능 저하, 주행 중 배터리의 충격 및 손상 등이 꼽힌다. 대부분의 전기차 화재는 충전 완료 후 2시간에서 5시간 사이에 발생하는데, 특히 셀 간 전압 차를 조정하는 셀밸런싱 과정에서 문제가 발생할 가능성이 높다.

이러한 문제를 해결하기 위해 전기차 충전 기술 기업 차지인의 최영석 대표는 "전기차를 장기간 사용할 경우 화재 발생 위험이 있으므로 노화되고 손상된 배터리를 식별하는 기술이 필요하다"고 강조했다.