University of Texas at Austin, Northeastern University, Stanford University 및 Argonne National Laboratory의 공동 연구팀은 충전·방전 주기가 배터리 내부에서 반복적 팽창과 수축을 일으키며, 이로 인해 화학기계적 열화(chemomechanical degradation)가 진행되어 성능 저하와 수명 단축을 초래한다는 주요 원인을 규명했다. 관련 연구 결과는 Science에 발표되었다.
연구자들은 특히 '변형 연쇄(strain cascades)'라 부르는 패턴을 관찰했다. 전극의 한 영역에 응력이 쌓이면 인접 영역으로 전파되고, 수십만 개 입자 중 일부만 빠르게 움직이는 반면 다른 입자는 상대적으로 안정적으로 남아 국소적 응력 집중이 생긴다. 이런 불균일한 거동이 누적되어 균열 등 손상을 유발한다.
연구를 이끈 Yijin Liu는 "배터리가 한 번 한 번 ‘숨을 쉴’ 때마다 되돌릴 수 없는 변화가 일부 생긴다. 이 효과가 누적되면 결국 전지가 고장난다"고 말했다. 공동저자 Juner Zhu는 입자 움직임의 차이와 응력 집중 양상을 설명했다. 연구팀은 operando transmission X-ray microscopy(TXM)와 3D X-ray laminography 같은 고급 영상기법으로 충전·방전 중 거동을 실시간 관찰했다.
이해를 바탕으로 엔지니어들은 응력에 강한 전극 설계나 손상을 줄이기 위한 제어된 압력 적용 같은 방법을 고려할 수 있다. 연구진은 전극 내부의 복합적 화학·기계 상호작용을 설명할 이론 모델을 개발할 계획이며, 이 연구는 US Department of Energy’s Vehicle Technologies Office의 자금 지원을 받았고 UT, Northeastern, Sigray Inc., Stanford, SLAC National Accelerator Laboratory, and Argonne National Laboratory의 과학자들이 기여했다.
어려운 단어·표현
- 화학기계적 열화 — 화학 반응과 기계적 손상으로 성능이 약해짐
- 변형 연쇄 — 한 영역의 응력이 옆 영역으로 연속 전파되는 현상
- 응력 집중 — 한곳에 힘이 몰려 구조가 약해지는 상태국소적 응력 집중
- 거동 — 물질이나 입자가 보이는 움직임이나 행동거동이, 거동을
- 상호작용 — 서로 영향을 주고받는 작용 과정
- 전극 — 배터리에서 전류를 주고받는 중요한 부품
팁: 글에서 강조된 단어에 마우스를 올리거나 포커스/탭하면, 읽거나 들으면서 바로 간단한 뜻을 볼 수 있습니다.
토론 질문
- 이번 연구에서 관찰된 불균일한 입자 움직임이 실제 전기차 배터리 수명에 어떤 영향을 줄지 본인의 의견과 이유를 쓰세요.
- 연구진이 개발하려는 이론 모델이 배터리 설계나 테스트 과정에서 어떤 도움을 줄 수 있을지 구체적으로 설명하세요.
- 고급 X선 영상기법을 산업 현장에 적용할 때 예상되는 장점과 현실적인 어려움은 무엇일지 토론해 보세요.
