전기차 주행거리 늘릴 핵심 단서…리튬 금속 배터리 열화 순간 포착

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 전기차 주행거리와 배터리 수명을 동시에 늘릴 수 있는 핵심 단서가 나왔다. 국내 연구진이 리튬 금속 배터리의 열화가 시작되는 순간을 나노 수준에서 직접 관찰하며 성능 저하의 근본 원인을 밝혀냈다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 차세대 배터리 핵심 부품인 리튬 금속 음극의 열화 메커니즘을 규명했다고 10일 밝혔다.

리튬 금속은 기존 배터리보다 에너지 밀도가 월등히 높아 '꿈의 배터리 소재'로 불리지만, 충·방전을 반복할수록 성능이 급격히 떨어지는 문제가 있다.

특히 리튬이 불규칙하게 쌓이거나 떨어져 나가며 전기적으로 단절된 '죽은 리튬'이 형성되면 배터리 성능 저하는 물론 안전성 문제까지 초래할 수 있다.

충·방전 과정 중 전기적으로 분리돼 더 이상 반응에 참여하지 못하는 리튬은 배터리 용량 감소의 주요 원인으로 꼽힌다.

연구팀은 배터리 내부를 실시간으로 관찰할 수 있는 실시간 전기화학 원자힘현미경을 활용해 리튬이 쌓이고 사라지는 전 과정을 직접 추적했다. 그 결과, 리튬 반응이 표면 전체에서 균일하게 일어나는 것이 아니라 특정 위치에서 선택적으로 발생한다는 사실을 확인했다.

특히 표면이 거칠거나 구멍이 많은 다공성 영역에서는 리튬이 떨어져 나갈 때 빈 공간이 쉽게 형성됐다. 이로 인해 리튬이 전기적으로 고립되는 죽은 리튬이 만들어졌다.

이번 연구는 향후 리튬이 형성되는 표면을 균일하고 정밀하게 제어해 배터리 수명과 안정성을 획기적으로 개선하는데 기여할 것으로 기대된다. 전기차 주행거리 증가와 장수명 배터리 개발을 동시에 실현할 수 있는 설계 방향을 제시한 셈이다.

연구팀은 향후 실용화를 위해 실제 배터리 환경에서도 같은 효과가 나타나는지 검증하고 균일한 리튬 형성을 위한 표면 제어 기술과 대량 생산 공정 개발이 필요하다고 설명했다.

홍 교수는 "이번 연구는 배터리 성능 저하의 원인을 나노 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 크다"며 "보다 오래가고 안전한 차세대 배터리 개발을 위한 중요한 기반이 될 것"이라고 말했다.

신소재공학과 김성현 박사과정 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 신소재·화학·화학공학 분야 국제학술지 '에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 표지논문으로 실렸다.

연구는 LG에너지솔루션과 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단의 미래개척융합과학기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr