차세대 배터리 ‘더 오래 가고, 안전하게’…전기차 주행거리·성능 향상

KAIST, 리튬금속 음극 난제 ‘열화’ 원인 규명
거친 표면, 다공성 영역서 죽은 리튬 형성 밝혀
전기차 주행거리 증가, 장수명 배터리 개발 구현

리튬금속 음극의 열화 메커니즘 규명 연구성과를 실은 국제 학술지. KAIST 제공.

차세대 배터리로 각광받는 ‘리튬금속 배터리’의 열화 시작 순간을 나노 수준에서 직접 관찰해 성능 저하를 근본적으로 해결할 수 있는 길이 열렸다.

전기차 주행거리와 배터리 수명을 동시에 늘리는 데 기여해 차세대 배터리 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

KAIST는 홍승범 신소재공학과 교수 연구팀이 차세대 배터리 핵심 부품인 ‘리튬 금속 음극’의 열화 메커니즘을 규명했다고 10일 밝혔다.

리튬 금속 배터리는 기존 배터리보다 에너지 밀도가 월등히 높지만, 충방전 반복 시 성능이 급격히 떨어져 상용화에 어려움이 있었다.

특히 리튬이 불규칙하게 쌓이거나 떨어져 나가 전기적으로 단절된 ‘죽은 리튬’이 생기면 배터리 성능 저하와 안전성 문제까지 초래한다.

연구팀은 배터리 내부를 나노 수준에서 실시간 관찰할 수 있는 ‘전기화학 원자힘현미경’을 활용해 리튬이 쌓이는 ‘도금 과정’과 사라지는 ‘탈리 과정’을 살폈다.

그 결과, 리튬 반응이 표면 전체에서 균일하게 일어나는 것이 아니라 특정 위치에서 선택적으로 발생한다는 사실을 확인했다.

표면이 거칠거나 구멍이 많은 다공성 영역에서 리튬이 떨어져 나갈 때 빈 공간이 쉽게 형성되는데, 이로 인해 ‘죽은 리튬’이 만들어 배터리 성능을 급격히 떨어 뜨리는 원인으로 작용했다.

이번 연구는 리튬 금속 배터리가 어디에서 어떻게 손상되는지를 실험적으로 규명하고, 리튬이 처음 형성될 때 배터리 장기 수명을 좌우한다는 점을 입증했다는 데 의미가 있다고 연구팀은 설명했다.

홍승범 교수는 “차세대 리튬금속 배터리의 성능 저하 원인을 나노 수준에서 직접 확인한 연구”라며 “리튬이 형성되는 표면을 균일하고 정밀하게 제어하면 배터리 수명과 안정성을 개선할 수 과학적 근거를 제시했다”고 말했다.

연구결과는 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 지난 2월 24일자 표지논문으로 실렸다.

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

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr