리듐이온 배터리 '자기방전' 원인 찾을수 있을까

[디지털비즈온 이호선 기자] 전극 사이가 연결되지 않아도 배터리 내부의 극소량의 화학 물질이 반응한다. 이러한 내부 반응은 배터리의 저장된 충전량을 감소시켜 배터리 용량을 조금씩 감소시키는 현상을 '자기방전(self-discharge)'이라고 한다.

예를 들어, 리튬 이온 배터리는 추운 온도보다 더운 온도에서 더 빨리 방전된다.

캐나다의 댈하우지대학교 연구자들은 리튬 이온 배터리가 자기 방전하는 이유를 리튬 이온 배터리의 실험 중에 원인을 찾아냈다.

리튬 이온 배터리에는 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 전기를 만들어낸다. 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하며 배터리가 충전되고 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가며 에너지를 방출, 방전된다.

이때 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동통로 역할을 해주는 전해질과 양극과 음극이 서로 닿지 않게 해주는 분리막이 있다. 일반적으로 리튬이온 배터리의 4가지 구성 요소라고 하면 이 양극재, 음극재, 전해질, 분리막을 말한다.

리튬 이온 배터리에는 양극과 음극이 있고, 그 사이에 분리막 필름이 부착되어 있다. 이들 부품은 젤리 롤 형태로 실, 극판을 두루마리 형태로 둥글게 감겨 층층이 쌓여 있다. 두 경우 모두 테이프가 젤리 롤과 배터리의 스택(stack)을 고정하는 데 사용된다.

리튬 이온 배터리의 테이프는, 전극이나 세퍼레이터에 달라붙듯이, 폴리머, 즉 플라스틱박에 점착제를 붙인것이다. 이 테이프의 폴리머는 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)가 일반적이다.

연구팀은 리튬 이온 배터리를 개량하는 연구의 일환으로 여러 배터리를 다른 온도에 노출시켜 조사 실험을 실시했다. 실험은, 리튬 이온 배터리로부터 추출한 전해액을 40∼70℃의 범위의 온도에서 가열한다고 하는 것이다.

그 결과, 현저한 변색이 나타났다. 가장 높은 70℃의 것은 투명했던 것이 적색으로, 55℃의 것은 밝은 갈색이 되었다.

이것은, 고온 상태로 하면 전해액이 배터리의 부극과 반응하고 있기 때문이다. 어느 리튬 이온 배터리라도 충전·방전의 초기에 일어나는 현상으로, 전극이 완전히 불활성이 아니기 때문에, 화학 반응이 일어난다.

이들 반응 중에는 패시베이션막(보호막)을 형성하고 그 이상의 반응을 억제하는 좋은 반응도 있지만, 라디칼(radical) 이라고 불리는 매우 불완전한 화학반응 생성물을 형성하여 다른 셀의 구성 요소와 반응하는 것도 탄생한다.

연구팀은 이 라디칼이 PET 테이프와 반응하여 전해액을 붉게 하는 분자를 만드는 것을 발견했다. 온도를 올리면 이 분자가 많이 만들어져 전해액이 빨갛게 된다.

연구팀은 이 분자를 가스 크로마토그래피 (Column Chromatography)에 의한 고도의 화학 분석을 실시했다. 그 결과, 이 새로운 붉은 분자는 "산화 환원 셔틀(Redox Shuttles) "로 작용하는 것으로 나타났다.

산화환원 셔틀은 전해액 내에서 이동할 수 있으며, 마이너스 전극으로부터 플러스 전극으로 여러 번 왕복할 수 있다.

즉, 마이너스 전극으로부터 전자를 받아, 플러스 전극에 건네주고, 다시 돌아오는 프로세스를 반복한다.

이 현상으로 인해 실제로 전류가 흐르지 않더라도 배터리가 자채 방전 된다. 테이프의 PET는 산화환원 셔틀을 만드는 원인으로, 리튬 이온 전지의 화학 반응에서도 분해되지 않는, 보다 안정된 폴리머로 치환할 필요가 있었다.

즉, 연구원들은 PET 테이프를 다른 폴리머로 바꾸는 것만으로 자기 방전이 감소하는 현상이 일어난다는 것이다.

연구성과는 지난해 2022년 12월 전기화학학회지 "Reversible Self-discharge of LFP/ Graphite and NMC811/Graphite Cells Originating from Redox Shuttle Generation (LFP/흑연 및 NMC811/흑연 셀에서 생성된 산화환원 셔틀 식별) 과 과학 전문저널 ECS에 (Identification of Redox Shuttle Generated in LFP / Graphite and NMC811 / Graphite Cells (LFP/흑연 및 NMC811/흑연 셀에서 생성된 산화환원 셔틀 식별) 논문을 발표했다.