“전기차 주행거리·배터리 수명↑”…KAIST, 리튬금속배터리 성능저하 원인 해결

- 신소재공학과 홍승범 교수팀, 배터리 내부 리튬 움직임 직접 추적 성공

홍승범(왼쪽부터) KAIST 교수, 김성현 석-박사통합과정, 최영우·조윤한 박사.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 차세대 리튬금속 배터리 상용화 난제를 해결했다. KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 리튬 금속 배터리의 열화가 시작되는 순간을 나노 수준(머리카락 굵기의 약 10만 분의 1)에서 직접 관찰, 성능 저하의 근본 원인을 확인했다고 10일 밝혔다.

리튬 금속은 기존 배터리보다 에너지 밀도가 월등히 높아 ‘꿈의 배터리 소재’로 불리지만, 충·방전을 반복할수록 성능이 급격히 떨어지는 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌로 꼽혀왔다. 특히 리튬이 불규칙하게 쌓이거나 떨어져 나가며 전기적으로 단절된 ‘죽은 리튬(dead lithium)’이 형성되면 배터리 성능 저하는 물론 안전성 문제까지 초래할 수 있다.

연구팀은 배터리 내부를 실시간으로 관찰할 수 있는 실시간 전기화학 원자힘현미경을 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(porous) 영역에서는 리튬이 떨어져 나갈 때 빈 공간이 쉽게 형성됐고, 이로 인해 리튬이 전기적으로 고립되는 ‘죽은 리튬’이 만들어지는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 배터리 성능을 급격히 저하시키는 직접적인 원인으로 작용한다.

이번 연구결과가 게재된 국제학술지 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’ 표지.[KAIST 제공]

이번 연구는 리튬 금속 배터리가 어디에서, 어떻게 손상되는지를 실험적으로 규명했다는 데 의미가 있다. 더 나아가 리튬이 처음 형성되는 ‘초기 표면 형상(initial morphology)’이 배터리의 장기 수명을 좌우하는 핵심 변수임을 입증했다.

홍승범 교수는 “이번에 밝혀진 열화 원리를 바탕으로, 리튬이 균일하게 쌓이고 제거될 수 있도록 음극 표면을 설계하는 기술에 활용될 수 있다”며 “죽은 리튬 생성을 줄이고, 전기차 주행거리를 늘리거나 스마트폰 배터리 노화를 늦추는 데 기여할 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’ 표지논문으로 선정됐다.