[충청뉴스 이성현 기자] 전기차의 주행거리를 획기적으로 늘리고 배터리 수명 문제를 동시에 해결할 수 있는 결정적 단서가 확보됐다.
국내 연구진이 차세대 배터리 상용화의 최대 걸림돌이었던 ‘죽은 리튬(Dead Lithium)’의 형성 과정을 나노 수준에서 실시간으로 관찰하는 데 성공했다.
한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 차세대 배터리 핵심 부품인 ‘리튬 금속 음극’의 성능 저하 메커니즘을 규명했다고 10일 밝혔다.
리튬 금속은 기존 흑연 음극보다 에너지 밀도가 월등히 높아 ‘꿈의 배터리 소재’로 불리지만 충·방전 시 리튬이 불규칙하게 거동하며 전기적으로 단절되는 ‘죽은 리튬’을 형성해 수명을 급격히 단축시키는 고질적 문제가 있었다.
특히 리튬 금속은 반응성이 매우 높고 형태 변화가 빨라 기존의 사후 분석만으로는 정확한 열화 시작점을 파악하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 실시간 전기화학 원자힘현미경을 활용했다. 이를 통해 머리카락 굵기의 10만 분의 1 수준인 나노 단위에서 리튬이 쌓이고(도금) 사라지는(탈리) 전 과정을 직접 추적했다.
그 결과 리튬 반응은 표면 전체에서 균일하게 일어나는 것이 아니라 특정 위치에서 선택적으로 발생한다는 사실이 확인됐다.
연구팀은 특히 표면이 거칠거나 구멍이 많은 다공성(porous) 영역에서 리튬이 제거될 때 빈 공간이 쉽게 형성되며 이것이 리튬의 전기적 고립을 유발해 성능을 떨어뜨린다는 것을 실험적으로 입증했다.
또 연구팀은 리튬의 초기 표면 형상이 박리 거동과 전체적인 열화 양상을 좌우하며 미세한 표면 상태와 국부 구조가 장기 안정성에 결정적인 영향을 미친다는 점을 확인했다.
이 기술이 실용화될 경우 전기차 주행거리 증가는 물론, 스마트폰·노트북 등 모바일 기기의 배터리 노화 억제, 고성능 전원이 필요한 드론 및 로봇 분야까지 폭넓게 응용될 수 있다.
다만 실용화를 위해서는 실제 배터리 구동 환경에서의 동일 효과가 일어나는지 검증하고 대량 생산을 위한 공정 개발이 향후 과제로 남았다.
홍승범 교수는 “이번 연구는 배터리 성능 저하의 원인을 실시간으로 시각화해 메커니즘을 이해하는 중요한 실험적 근거를 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다.
한편 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’ 지난 2월 표지 논문으로 선정됐다.
