[쿠키과학] ‘전기차 베터리 수명 왜 주나?… KAIST, 리튬금속배터리 망가지는 순간 포착

KAIST가 리튬 금속 배터리가 망가지는 순간을 최초로 포착했다.

이번 연구는 리튬 금속 배터리의 수명을 단축하는 근본적인 기전을 밝혀 전기차 주행거리를 획기적으로 늘리고, 스마트폰 배터리의 노화를 늦추는 설계에 적용될 전망이다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수팀은 차세대 배터리 핵심 소재인 리튬 금속 음극의 열화 메커니즘을 실시간으로 규명했다고 10일 밝혔다.

리튬 금속은 기존 배터리보다 에너지 밀도가 월등히 높아 차세대 소재로 각광받고 있지만, 충·방전을 반복하면 성능이 급격히 떨어지는 문제가 상용화의 큰 걸림돌이었다.

특히 리튬이 불규칙하게 쌓이거나 떨어져 나가며 전기적으로 단절된 ‘죽은 리튬(Dead Lithium)’이 생겨 베터리 용량이 줄고 화재 위험도 커진다.

그러나 리튬 금속 표면은 반응성이 매우 높고 형태 변화가 빨라 사후 분석으로는 열화가 어디서 시작되는지 파악하기 어려웠다.

연구팀은 배터리 내부를 실시간 관찰하는 전기화학 원자힘현미경(in situ EC-AFM)을 활용해 머리카락 굵기 10만 분의 1 수준에서 리튬 움직임을 추적했다.

원자힘현미경(AFM)은 수 나노미터 크기 날카로운 탐침을 시료 표면에 접근시켜 원자 사이 상호작용력을 측정해 재료 특성을 파악하는 장비다.

연구팀은 리튬이 전극 표면에 쌓이는 도금과 다시 빠져나가는 박리 과정을 분석했다.

그 결과 리튬 반응은 표면 전체에서 균일하게 일어나지 않고 특정 위치에서 선택적으로 발생했다.

특히 표면이 가파르거나 구멍이 많은 다공성 영역에서 리튬이 빠져나갈 때 빈 공간이 쉽게 형성됐다.

이 공간이 리튬을 전기적으로 고립시켜 반응에 참여하지 못하는 죽은 리튬을 만드는 직접적인 원인임을 밝혔다.

이번 연구는 리튬이 처음 형성되는 ‘초기 표면 형상(Initial Morphology)’이 배터리 장기 수명을 결정하는 핵심 변수임을 입증해 큰 의미를 갖는다.

미세한 표면 상태와 국부 구조가 리튬 도금과 박리 양상을 좌우하며 배터리 성능 저하를 유발하는 셈이다.

리튬이 균일하게 형성되도록 음극 표면 구조를 정밀하게 제어하면 죽은 리튬 생성을 줄여 배터리 수명과 안정성을 동시에 확보할 수 있다.

연구팀은 이 결과를 바탕으로 리튬이 균일하게 형성되도록 음극 표면을 설계하면 배터리 수명과 안정성을 동시에 개선할 수 있을 것으로 기대했다.

이번 성과는 전기차용 고용량 배터리뿐 아니라 드론, 로봇 등 고성능 전원이 필요한 다양한 분야에 응용할 수 있을 전망이다.

홍 교수는 “이번 연구는 리튬 금속 배터리의 열화가 시작되는 위치와 과정을 처음으로 특정하며, 배터리 수명을 좌우하는 핵심 설계 변수를 제시했다”며 “이 성과는 전기차 주행거리 확대와 장수명 배터리 구현을 동시에 앞당길 기술적 기반을 마련해 향후 실제 배터리 환경에서 검증과 대량 공정 적용이 이뤄질 경우 차세대 리튬 금속 배터리 상용화에 중요한 전환점이 될 것”이라고 설명했다.

한편 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 김성현 박사과정이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난 2월 24일 국제학술지 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 게재됐다.
(논문명: Spatially Selective Lithium Plating and Stripping in Lithium Metal Anodes)