[아이뉴스24 정종오 기자] 전 세계적으로 전기차 판매량이 증가하고 있다. 최근 고유가 시대에 소비자들의 선택이 전기차로 이동하고 있다. 문제는 주행거리와 배터리 수명이다. 이를 해결할 수 있다면 소비자들 선택의 폭은 더 넓어질 것으로 예상된다.
전기차 주행거리와 배터리 수명을 동시에 늘릴 수 있는 핵심 단서가 나왔다. 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 리튬 금속 배터리의 열화가 시작되는 순간을 나노 수준(머리카락 굵기의 약 10만분의 1)에서 직접 관찰했다. 성능 저하의 근본 원인을 알아냈다.
KAIST(총장 이광형) 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 차세대 배터리 핵심 부품인 리튬 금속 음극(Lithium Metal Anode)의 열화 메커니즘을 규명했다.
리튬 금속은 기존 배터리보다 에너지 밀도가 월등히 높아 ‘꿈의 배터리 소재’로 부른다. 충·방전을 반복할수록 성능이 급격히 떨어지는 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌로 꼽혀왔다.
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 원자힘현미경(in situ EC-AFM)을 활용해 리튬이 쌓이고(도금) 사라지는(탈리) 전 과정을 직접 추적했다. 그 결과 리튬 반응이 표면 전체에서 균일하게 일어나는 게 아니라 특정 위치에서 선택적으로 발생한다는 사실을 확인했다.
표면이 거칠거나 구멍이 많은 다공성(porous) 영역에서는 리튬이 떨어져 나갈 때 빈 공간이 쉽게 만들어졌다. 리튬이 전기적으로 고립되는 ‘죽은 리튬’이 만들어지는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 배터리 성능을 급격히 떨어트리는 직접적 원인으로 작용한다.
이번 연구는 리튬 금속 배터리가 어디에서, 어떻게 손상되는지를 실험적으로 규명했다는 데 의미가 있다. 리튬이 처음 형성되는 ‘초기 표면 형상(initial morphology)’이 배터리의 장기 수명을 좌우하는 핵심 변수임을 입증했다.
앞으로 리튬이 형성되는 표면을 균일하고 정밀하게 제어할 경우, 배터리 수명과 안정성을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 전기차 주행거리 증가와 장수명 배터리 개발을 동시에 실현할 수 있는 설계 방향을 제시한 셈이다.
홍승범 교수는 “이번 연구는 배터리 성능 저하의 원인을 나노 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 크다”며 “보다 오래가고 안전한 차세대 배터리 개발을 위한 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구(논문명: Spatially Selective Lithium Plating and Stripping in Lithium Metal Anodes)는 신소재공학과 김성현 박사과정 연구원이 제1저자로 참여했다. 신소재·화학·화학공학 분야의 국제학술지 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 실렸다.
/정종오 기자(ikokid@inews24.com)