원자힘현미경으로 리튬 움직임 추적…전기차 주행거리 늘릴 단서

[한국과학기술원(KAIST) 제공. 재판매 및 DB 금지]

(대전=연합뉴스) 김준호 기자 = 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 리튬 금속 배터리의 열화가 시작되는 순간을 나노 수준(머리카락 굵기의 약 10만분의 1)에서 직접 관찰하며 성능 저하의 근본 원인을 밝혀냈다.

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

리튬 금속은 기존 배터리보다 에너지 밀도가 높아 '꿈의 배터리 소재'로 불리지만, 충·방전을 반복할수록 성능이 급격히 떨어지는 문제가 상용화의 걸림돌로 꼽혀왔다.

특히 리튬이 불규칙하게 쌓이거나 떨어져 나가면서 전기적으로 단절된 '죽은 리튬'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 추적했다.

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

표면이 거칠거나 구멍이 많은 '다공성' 영역에서는 리튬이 떨어져 나갈 때 빈 곳이 쉽게 형성됐고, 이로 인해 리튬이 전기적으로 고립되면서 배터리 용량 감소의 주요 원인이 되는 '죽은 리튬'이 만들어지는 것으로 나타났다.

이 같은 현상은 배터리 성능을 급격히 저하시키는 직접적인 원인으로 작용한다.

연구팀은 리튬이 형성되는 표면을 균일하고 정밀하게 제어할 경우, 배터리 수명과 안정성을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대한다.

홍승범 교수는 "전기차 주행거리 증가와 긴 수명 배터리 개발을 동시에 실현할 수 있는 설계 방향을 제시한 것"이라며 "보다 오래가고 안전한 차세대 배터리 개발을 위한 중요한 기반이 될 것"이라고 말했다.

kjunho@yna.co.kr