전기차 주행거리와 배터리 수명을 동시에 늘릴 수 있는 핵심 단서를 포착했다. 리튬 금속 배터리의 열화 시작 순간을 나노 수준에서 직접 관찰하며, 성능 저하 근본 원인을 밝혀냈다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 홍승범 신소재공학과 교수팀이 리튬 금속 음극 열화 메커니즘을 규명했다고 10일 밝혔다.
리튬 금속은 기존 배터리보다 에너지 밀도가 월등히 높지만 충·방전을 반복할수록 성능이 급격히 떨어지는 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다.
특히 리튬이 불규칙하게 쌓이거나 떨어져 나가며 전기적으로 단절된 '죽은 리튬'이 형성되면 배터리 성능 저하는 물론 안전성 문제까지 초래할 수 있다.
연구팀은 실시간 전기화학 원자힘현미경(in situ EC-AFM)을 활용해 리튬이 쌓이고(도금) 사라지는(탈리) 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 형성됐고, 이로 인해 죽은 리튬이 만들어지는 것으로 나타났다.
연구팀은 나아가 리튬이 처음 형성되는 '초기 표면 형상'이 배터리 장기 수명을 좌우하는 핵심 변수임을 입증했다. 리튬이 형성되는 표면을 균일하고 정밀하게 제어할 때, 배터리 수명·안정성을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
홍승범 교수는 “이번 연구는 배터리 성능 저하의 원인을 나노 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 크다”라며 “보다 오래가고 안전한 차세대 배터리 개발을 위한 중요한 기반이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 신소재공학과 김성현 박사과정 연구원이 제1저자로 참여했다. 성과는 'ACS 에너지 레터스' 2월 24일자 표지논문으로 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
