KAIST 연구팀, 리튬 배터리 성능 저하 막을 단서 찾았다

1~3차 도금·박리 과정에서 높이 변화 지도와 표면 기울기 지도. 사진=카이스트 제공

[충청투데이 조정민 기자] 배터리는 현 시대 가장 중요한 핵심 장치라 할 만큼 그 가치가 매우 높다.

본격적인 전기차 시대를 맞아 최대 과제로 떠오른 것이 주행거리 연장과 배터리 수명 문제인데, 이를 해결할 결정적 단서가 국내 연구진에 의해 포착됐다.

그간 베일에 싸여있던 리튬 금속 배터리의 내부 붕괴 과정을 나노 수준에서 실시간으로 관찰하는 데 성공하면서 차세대 에너지 저장장치 상용화의 난제인 열화 메커니즘 실체가 드러났다.

10일 KAIST에 따르면 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 리튬 금속 음극(Lithium Metal Anode)이 망가지는 근본 원인을 규명했다.

연구팀은 '실시간 전기화학 원자힘현미경(in situ EC-AFM)'이란 정밀 분석 기술로 충전과 방전 시 리튬이 쌓이고(도금) 사라지는(박리) 전 과정을 머리카락 굵기 10만 분의 1 수준에서 직접 추적했다.

EC-AFM 측정 과정의 개요. 사진=카이스트 제공

기존 리튬 금속 배터리는 에너지 밀도가 매우 높지만, 사용 중 리튬이 불규칙하게 탈락하며 전기를 통하지 않는 '죽은 리튬'을 형성하는 문제를 안고 있다.

이번 연구 결과를 보면 이러한 현상은 표면 전체에서 고르게 일어나는 것이 아니라 특정 위치에서 선택적으로 발생한다는 점이 확인됐다.

표면이 가파르거나 구멍이 많은 다공성 영역이 문제였다. 리튬이 빠져나갈 때 불안정한 지형에서 빈 공간이 먼저 생겨나고, 이로 인해 리튬 덩어리가 전기적으로 고립되는 과정이 실시간으로 증명됐다.

결국 배터리의 초기 표면 형상이 전체 수명을 결정짓는 핵심 변수라는 사실이 실험적으로 입증됐다.

연구 결과에서 입증된 것처럼 향후 리튬이 형성되는 표면을 매우 균일하고 정밀하게 제어하면 배터리의 수명은 물론 안정성도 크게 개선될 것으로 예상된다.

홍승범 교수는 "이번 연구가 배터리 성능 저하의 원인을 나노 수준에서 시각화했다는 점에 의미가 있다"면서 "향후 표면 제어 기술을 통해 보다 안전하고 오래가는 차세대 배터리 설계가 가능해질 것"이라고 전망했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 2월호 표지 논문으로 게재됐다.

조정민 기자 jeongmin@cctoday.co.kr