[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

리튬이온배터리(LIB)는 높은 에너지 밀도와 긴 수명으로 전기차(EV), 에너지 저장 시스템(ESS) 등 다양한 분야에서 사용된다. 리튬이온배터리는 배터리 셀 형태에 따라 각형, 파우치형으로 폼 팩터가 나뉘는데, 원통형은 우수한 열 관리, 구조적 안정성, 대량 생산 적합성 등의 장점으로 주요 폼팩터로 자리 잡고 있다. 특히 글로벌 배터리 시장의 큰손인 테슬라가 4680 셀 도입한 이후 원통형 전지의 대형화가 진행되며 새로운 설계 연구가 활발히 이루어지고 있다.

원통형 전지는 젤리롤(jellyroll) 구조로 인해 전극에 곡률이 형성되며, 이는 전극의 기계적·미세구조적 변형을 유발할 수 있다. 기존 연구들은 전극 곡률이 특정 임계값을 초과하면 기계적 손상과 미세구조 변화가 발생할 수 있음을 보고했지만, 대부분 각형 전지에 적용되는 젤리롤 구조에서 발생하는 곡률을 중심으로 진행되어 원통형 전지에 대한 연구는 부족한 상황이다.

LIB의 전기화학 반응은 음극과 양극 간 접촉 면적에 의해 결정되며, 원통형 전지에서는 곡률 변화에 따라 접촉 면적이 달라지면서 지역별 상이한 N/P 비율(음극 대 양극 용량비) 이 형성될 수 있다. N/P 비율은 전지의 성능과 직결되는 핵심 요소이며, 특히 리튬 금속 석출과 같은 안정성 문제와 밀접한 관련이 있다. 그러나 원통형 전지의 곡률과 N/P 비율 간의 관계를 체계적으로 분석한 연구는 거의 없는 상황이다.

2.연구내용

본 연구에서는 전극 곡률이 원통형 전지의 성능과 안정성에 미치는 영향을 규명하고, 이를 최적화할 수 있는 설계 전략을 제시하였다. 이를 위해 특정 곡률을 가지는 단판 셀을 제작하여 실험적으로 분석하고, 상용 21700 원통형 셀과 비교 평가하였다.

연구 결과, 전극 곡률이 증가할수록 전극 내 N/P 비율이 불균형해지며, 이는 국소적인 전기화학적 성능 저하 및 리튬 금속 석출 위험 증가로 이어졌다. 특히 중심부에서 이러한 현상이 가장 두드러졌으며, 곡률이 높은 경우 전극 내 활성 물질이 균일하게 활용되지 못하는 문제가 발생하였다.

곡률 민감도는 대용량 소재(비용량이 큰 소재)인 하이니켈 소재에서 더 크게 나탔다. 하이니켈 소재에서 곡률 민감도가 컸다는 점은 대용량 원통형 배터리 설계시 곡률 조건을 고려한 전극 설계가 더 필요하다는 것을 보여준다. 원통형 배터리는 배터리 셀을 모듈에 적층할 때 각셀이나 파우치셀과 달리 빈 공간이 생겨 이를 보완하기 위한 대용량 소재를 써야만 한다. 모듈에 셀을 많이 넣을 수 없으니 대용량 소재로 배터리 셀을 만들어 셀 자체의 용량을 키우는 방식이다.

연구팀은 곡률을 고려한 최적화된 N/P 비율 설계를 제안하였다. 기존의 평판형 전지에서는 적용되지 않는 방식이지만, 원통형 전지에서는 필수적인 설계 요소임을 입증하였다. 이를 통해 전극의 균일성을 확보하고, 곡률에 따른 성능 불균형을 완화할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.

또한, 이 연구는 단순한 이론적 접근이 아닌, 실험적으로 검증된 새로운 설계 지침을 제시한다는 점에서 의미가 크다. 기존 연구들은 대부분 이론적 시뮬레이션이나 개별적인 실험 결과에 의존했으나, 본 연구에서는 실제 배터리 셀을 기반으로 실험을 수행하여 현실적인 설계 인사이트를 도출하였다.

3.기대효과

본 연구는 원통형 전지의 성능 최적화를 위한 새로운 설계 방향을 제시하며, 이를 통해 배터리의 성능 균일성, 안정성, 수명 향상을 기대할 수 있다. 특히, 곡률을 고려한 N/P 비율 최적화 설계는 기존 배터리 제조 공정과 호환되면서도 리튬 금속 석출 위험을 줄이고, 배터리의 실사용 환경에서 더욱 안정적인 성능을 제공할 수 있도록 돕는다.

또한, 원통형 전지는 최근 전기차 시장에서 주요 배터리 폼팩터로 자리 잡고 있으며, 글로벌 경쟁이 치열해지는 가운데 보다 안정적이고 신뢰성 높은 배터리 개발이 필수적이다. 본 연구에서 제안한 설계 접근법은 고에너지 밀도 배터리 개발을 위한 중요한 기술적 토대가 될 것이며, 향후 다양한 원통형 전지 응용에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.원통형 배터리 (Cylindrical battery)

둥근 원기둥 형태의 리튬이온배터리로, 대표적인 크기로 18650, 21700, 4680 등의 규격이 있다. (앞에 두개의 숫자는 지름을 나타내며, 뒤에 두개 또는 세개의 숫자는 높이를 나타냄. ex) 18650 = 18 mm 지름, 650 mm 높이를 갖는 원통형 배터리)

2.N/P 비율 (Negative-to-Positive Capacity Ratio, N/P ratio)

음극과 양극의 상대적인 용량 비율을 의미하는 지표. 일반적으로 양극보다 음극 용량이 커야 충·방전 시 리튬이 안정적으로 저장될 수 있으며, N/P 비율이 적절하지 않으면 배터리 수명 저하, 리튬 금속 석출 등의 문제가 발생할 수 있다.

3.고니켈 양극재 (Hi-Ni(nickel) cathode material)

양극에서 니켈(Ni) 함량이 높은 소재로, 대표적인 예로 NCM(니켈-코발트-망간) 또는 NCMA(니켈-코발트-망간-알루미늄) 계열 양극재가 있다.

니켈 함량이 높을수록 에너지 밀도가 증가하여 배터리 용량이 커지지만, 화학적 안정성이 낮아지는 단점이 있어 최적의 설계가 필요하다.

4.리튬 금속 석출 (Lithium metal deposition, Lithium metal dendrite)

충전 과정에서 리튬이 음극에 고르게 삽입되지 못하고, 금속 형태로 표면에 석출되는 현상. 배터리 성능 저하뿐만 아니라 배터리 내부 단락(Short circuit)으로 이어질 수 있어 심각한 안전 문제를 유발할 수 있다.

5.권선 (Winding)

배터리 제조 공정에서 양극, 음극, 분리막을 여러 겹으로 감아 젤리롤(jelly roll) 형태로 만드는 과정.

6.폼팩터 (Form factor)

배터리의 형태 및 크기 규격을 의미하는 용어로, 원통형(cylindrical), 각형(prismatic), 파우치형(pouch) 등으로 구분된다.

7.비용량 (Specific capacity)

단위 질량(g) 또는 단위 부피(cm³)당 배터리가 저장할 수 있는 전하량(mAh/g 또는 mAh/cm³)을 의미한다. 양극재와 음극재의 비용량이 높을수록 배터리 에너지 밀도가 증가한다.

[붙임] 그림설명