전기차 주행거리와 배터리 수명을 동시에 늘릴 수 있는 핵심 단서가 나왔다. 리튬 금속 배터리의 열화가 시작되는 순간을 정밀 관찰해 성능 저하 원인을 밝혀낸 덕이다.
KAIST는 홍승범 신소재공학과 교수 연구팀이 차세대 배터리 핵심 부품인 리튬 금속 음극(Lithium Metal Anode)의 열화 메커니즘을 규명했다고 10일 밝혔다.
리튬 금속은 기존 배터리보다 에너지 밀도가 월등히 높아 '꿈의 배터리 소재'로 불리지만 충·방전을 반복할수록 성능이 급격히 떨어진다는 단점이 있다. 특히 리튬이 불규칙하게 쌓이거나 떨어져 나가며 전기적으로 단절된 '죽은 리튬(dead lithium)'이 형성되면 화재, 발열 등 안전성 문제까지 초래할 수 있다.
연구팀은 배터리 내부를 관찰할 수 있는 '실시간 전기화학 원자힘현미경'(in situ EC-AFM)을 활용해 리튬이 쌓이고 사라지는 과정을 직접 관찰했다. 그 결과 리튬 반응이 표면 전체에서 균일하게 일어나는 것이 아니라 특정 위치에서 선택적으로 발생한다는 사실을 확인했다.
특히 표면이 거칠거나 구멍이 많은 다공성(porous) 영역에서는 리튬이 떨어져 나갈 때 빈 공간이 쉽게 형성됐고 이로 인해 죽은 리튬이 만들어진다는 것을 확인했다.
이번 연구는 리튬 금속 배터리가 어디에서, 어떻게 손상되는지를 실험으로 규명했다는 데 의미가 있다. 또 리튬이 처음 형성되는 '초기 표면 형상'(initial morphology)이 배터리의 장기 수명을 좌우하는 핵심 변수임을 입증했다. 향후 리튬이 형성되는 표면을 균일·정밀하게 제어하면 배터리 수명과 안정성을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
홍승범 교수는 "이번 연구는 배터리 성능 저하의 원인을 나노 수준(머리카락 굵기의 약 10만분의 1)에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 크다"며 "차세대 배터리 개발을 위한 중요한 기반이 될 것"이라고 밝혔다.
김성현 신소재공학과 박사과정 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구는 신소재·화학·화학공학 분야의 국제적 권위 학술지인 '에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 지난 2월 24일 자로 게재됐고 표지논문으로 선정됐다.
한편 해당 연구는 LG에너지솔루션과 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단의 미래개척융합과학기술개발사업(RS-2023-00247245) 지원을 받아 수행됐다.
