토요타 자동차는 전기차 항속거리와 배터리 성능 향상 등에 기여할 수 있는 리튬이온 배터리의 관찰방법을 세계 최초로 개발했다고 1일 밝혔다.
리튬이온전지는 금속산화물의 양극과 탄소재료의 음극사이에 유기 전해액을 넣어 충전과 방전을 반복하는 원리의 전지다. 충전시는 양극에서 음극으로 방전 시에는 음극에서 양극으로 리튬이온 전해액 안을 이동함에 따라 전류가 흐르므로 충/방전시에 전해액 내의 리튬이온은 중요한 역할을 담당한다.
플러그인 하이브리드 자동차나 전기자동차에 탑재되는 리튬이온전지는 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 전기를 일으키는데 이때 발생할 수 있는 리튬이온의 편향은 배터리의 성능 저하 원인 중 하나다.
토요타는 배터리 충/방전시 전해액 내의 리튬이온의 움직임을 가시화하여 실시간으로 관찰하는 방법을 개발함으로써 탑재 차량의 항속거리와 배터리 수명연장에 도움을 주는 배터리 성능·내구성을 향상 시킬 수 있는 연구개발 지침을 얻었다.
지금가지 충전과 방전의 결과로써 전극과 전해질 안에서 리튬이온의 편향이 발생하고 이러한 편향이 전지의 사용영역 제한 즉, 배터리가 가진 최대한의 성능을 감소시키는 요소 중 하나로 알려져 왔다. 그러나 기존의 방법을 통해서는 실제사용과 동일한 환경에서 전해질 안의 리튬이온의 움직임을 확인하는 것이 불가능했다.
이러한 문제를 해결하기 위해 토요타가 개발한 두 가지 계측방법은 다음과 같다.
(1)세계 최고 성능의 방사광 가속기 SPring-8²의 토요타 빔 라인³은 X-레이 장비에서 생성되는 것보다 약 10억배 강력한 고강도 X-레이를 생성한다. 이를 통해 0.65미크론/픽셀의 고해상도 및 100ms/프레임의 고속계측이 가능하다.
(2)많은 리튬이온전지에 사용되는 인을 포함한 전해질이 아닌 중원소를 포함한 전해질이 대신 사용된다. 따라서 리튬이온 전해질 안에서 이동할 때 결합하는 「인 함유이온」을 「중 원소 함유이온」이 대체한다. 중원소는 인에 비해 X-레이를 덜 투과시키는 성질이 있어 X-레이 투과후 찍힌 이미지 상 그림자의 농도가 더 강해지는데 이것이 전해질 안에서 중언소와 결합하는 리튬이온의 편향 움직임을 관찰하는 것을 가능하게 한다.
기술한 방법으로 배터리가 사용되는 환경과 조건하에서 배터리의 충/방전 과정 중 전해질 안에서 일어나는 리튬이온 편차의 과정을 관찰하는 것이 가능해졌다.
향후 토요타는 배터리 제어 안에서의 차이 뿐만 아니라 양음극, 격리판, 전해질의 재료·구조 안에서 차이로 인해 발생하는 리튬이온의 움직임을 관찰할 것이다.
배터리 성능을 저하시키는 메커니즘을 해석함으로써 탑재 차량의 항속거리와 배터리 수명연장에 도움을 주는 배터리의 성능·내구성을 향상시킬 수 있는 연구개발로 연결해 갈 것이다.
이상진 daedusj@autodiary.kr