[표지로 읽는 과학] '리튬 금속 배터리' 성능 저하 막는 단서 발견

네이처 제공

국제학술지 ‘네이처’ 이번 주 호의 표지에는 12면체 도형 이미지가 실렸다. 좌측에는 ‘빠른 전환, 급속 충전 배터리에서 예측 가능한 다면체를 형성하는 리튬 금속’이라고 적혀 있다.  

위장 리 로스앤젤레스캘리포니아대(UCLA) 생명화학공학과 교수 연구팀의 리튬 금속 배터리 연구가 2일 네이처에 실리며 이번 주 표지논문으로 발표됐다. 

음극재로 리튬 금속을 사용하는 리튬 금속 배터리는 리튬 이온 배터리보다 충전 속도가 빠르고 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 차세대 배터리로 주목받고 있다. 하지만 이 배터리는 재충전 과정에서 전해질과 집전장치(전력전달장치)의 영향을 받아 리튬 모양이 예측할 수 없는 형태로 증착되며, 이는 배터리 성능을 떨어뜨린다. 

연구팀은 배터리 성능을 저하시키는 리튬 금속 증착 요인을 조사하고, 일관되게 예측 가능한 결과를 얻을 수 있는 방법을 확인했다. 극저온 전자 현미경을 이용해 리튬을 살핀 결과, 리튬은 본질적으로 완벽한 12면 다면체를 형성한다는 것을 발견했다. 

연구팀은 리튬 금속 배터리 내에서 리튬이 항상 12면체 형태로 존재하는 것은 아니지만 급속으로 빠르게 증착하면 4개의 서로 다른 전해질과 4개의 서로 다른 집전장치에서 12면체 도형을 형성한다는 점을 확인했다. 이는 리튬 금속 배터리의 성능 저하 문제나 안정성 문제 등을 해결하는 잠재적인 개선 방법을 찾는 데 실마리가 될 것으로 보았다. 

[문세영 기자 moon09@donga.com]