대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 이홍경·이용민 에너지공학과 교수, 문장혁 중앙대학교 교수 공동연구팀이 자기장 이미징 기법(MFI)을 사용해 배터리 내부 결함을 실시간·비접촉 방식으로 진단 할 수 있는 분석 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.
전기차 및 에너지 저장 시스템 시장이 확대되면서 배터리 성능은 좋아지고 있지만 리튬이온 배터리 결함으로 인해 예기치 않은 고장과 대형 화재사고는 끊이지 않고 있다.
배터리의 결함은 출하 전 공정결함이나 장기간 운용에 따른 노화, 과충전, 기계적 충격 등 다양한 요인이 있다. 이런 잠재적 결함은 화재 위험을 증가시키지만, 배터리 내부를 들여다보기 어려워 결함의 종류와 위치를 사전에 감지하는 것은 불가능하다.
최근 배터리를 분해하지 않고 실시간으로 분석할 수 있는 X-레이, 컴퓨터단층촬영(CT), 자기공명영상장치(MRI)와 같은 기술들이 이차전지 연구에 활용되고 있지만, 시간과 비용이 많이 소요되며 해상도 한계로 실질적인 응용이 어렵다.
연구팀은 자기장 이미지 기술을 도입, 배터리 내부에 이상 전류를 감지할 수 있는 실시간 진단 기법을 제안했다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 이론적인 연구에 의존했던 기존 연구와 달리, 배터리 충·방전 전류로부터 유도된 자기장의 세기와 분포를 자기장 이미징 기법을 통해 수십 초 내로 스캔해 실험적으로 배터리 내부 전류분포를 시각화하는 데 성공했다.
또 이를 기반으로 파우치형 배터리 제조시 의심되는 공정 결함을 인위적으로 이식한 '결함-모사 배터리'를 제작하고 정상적으로 제조된 배터리와의 내부 전류패턴 차이를 최초로 확인해 결함 유형에 대한 식별을 가능하게 했다. 더 나아가, 배터리 내에서 정상적인 전류로 유도된 자기장 영역을 상쇄시킬 수 있는 외부 도체를 통합해 이상 전류를 선택적으로 감지하고 각 결함의 위치를 추적하는 기법을 개발, LG에너지솔루션과 공동특허를 출원했다
이홍경 교수는 “배터리 분해 없이 내부에 흐르는 전류를 빠르게 이미징해 결함유형 선별과 위치를 추적할 수 있어 향후 진단기술로 활용가치가 높을 것”이라며 “산학협력 기반으로 다양한 결함들이 모사된 배터리들과 실제 양산 셀에서의 검증을 통해 기술 완성도를 높일 계획”이라고 말했다.
이번 연구에는 DGIST 이민규 석박통합과정생이 제1저자로 참여했다. 한국연구재단의 '우수신진연구' 및 '선도연구센터 (ERC)' '기초연구실' 사업과 LG 에너지솔루션의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 국제 학술지 '스몰 메소즈(Small Methods)'에 온라인 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
