[오토데일리 박상우 기자] 토요타자동차가 전기차항속 거리와 배터리 성능향상 등에 기여할 수 있는 리튬이온배터리의 관찰방법을 세계 최초로 개발했다.

리튬이온전지는 금속산화물의 양극과 탄소재료의 음극 사이에 유기 전해액을 넣어 충전과 방전을 반복하는 원리의 전지이다.

충전 시 양극에서 음극으로, 방전 시 음극에서 양극으로 리튬이온이 전해액 안을 이동함에 따라 전류가 흐르므로 충.방전시에 전해액 내의 리튬이온은 중요한 역할을 담당한다.

플러그인하이브리드카(PHV)나 전기자동차(EV)에 탑재되는 리튬이온전지는 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 전기를 일으키는데, 이때 발생할 수 있는 리튬이온의 편향은 배터리의 성능 저하 원인 중의 하나이다.

토요타는 배터리 충.방전 시 전해액 내의 리튬이온의 움직임을 가시화해 실시간으로 관찰하는 방법을 개발함으로써 탑재 차량의 항속 거리와 배터리 수명 연장에 도움을 주는배터리 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 연구개발 지침을 얻었다.

지금까지 충전과 방전의 결과로써 전극과 전해질 안에서 리튬이온의 편향이 발생하고, 이러한 편향이 전지의 사용 영역 제한 즉, 배터리가 가진 최대한의 성능을 감소시키는 요소 중 하나로 알려져 왔다.

그러나 기존의 방법을 통해서는 실제 사용과 동일한 환경에서 이러한 전해질 안의 리튬이온의 움직임을 확인하는 것이 불가능했다.

이러한 문제를 해결하기 위해 토요타가 개발한 계측방법은 두 가지 주요특징이 있다.

먼저 세계 최고 성능의 방사광 가속기SPring-8의 토요타빔라인(Toyota Beamline)은 X-레이 장비에서 생성되는 것보다 약 10 억 배 강력한 고강도 X-레이을 생성한다.

이를 통해 0.65 미크론 / 픽셀(micron/pixel) 의 고해상도 및 100 ms / 프레임(ms/frame)의 고속 계측이 가능하다.

또한 많은 리튬이온전지에 사용되는 인(燐)을 포함한 전해질이 아닌, 중원소(重元素)를 포함한 전해질이 대신 사용된다.

따라서 리튬이온이 전해질 안에서 이동할 때 결합하는 '인 함유 이온'을 '중원소 함유 이온'이 대체한다.

중원소는 인에 비해 X-레이를 덜 투과시키는 성질이 있어, X-레이 투과 후 찍힌 이미지 상 그림자의 농도가 더 강해지는데, 이것이전해질 안에서 중원소와 결합하는 리튬이온의 편향 움직임을 관찰하는 것을 가능하게 한다.

위에 기술한 방법으로 실제로 배터리가 사용되는 환경과 조건 하에서,배터리의 충/방전 과정 중 전해질 안에서 일어나는 리튬이온 편차의 과정을 실시간으로 관찰하는 것이 가능해졌다.

이 관찰 방법은 토요타중앙연구소, 일본자동차부품종합연구소 및 4개 대학(홋카이도대학, 토호쿠대학, 쿄토대학, 리츠메이칸대학)과 공동으로 개발했다.

향후 토요타는 배터리 제어 안에서의 차이뿐 아니라 양음극, 격리판, 전해질의 재료와 구조 안에서의 차이로 인해 발생하는 리튬이온의 움직임을 관찰할 예정이다.

이렇게 배터리 성능을 저하시키는 메커니즘을 해석함으로써 탑재 차량의 항속 거리와 배터리 수명 연장에 도움을 주는 배터리의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 연구개발로 연결할 것으로 보인다.