리튬배터리 수명 개선…폭발도 막을 실마리 찾아

KAIST, LG에너지솔루션 등 지원받아 열화 메커니즘 나노 단위서 첫 규명

리튬 배터리 수명을 대폭 개선하고, 폭발 원인도 사전에 제거할 실마리를 국내 연구진이 찾았다.

KAIST는 홍승범 신소재공학과 교수 연구팀이 음극재인 리튬 금속 열화 메커니즘을 나노 사이즈에서 처음 규명했다고 10일 밝혔다.

연구는 LG에너지솔루션과 과학기술정보통신부가 지원했다. 연구결과는 신소재·화학·화학공학 분야 국제 학술지 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 지난 2월 24일자 표지논문으로 게재됐다.

KAIST 연구결과가 실린 국제학술지 에이시에스 에너지 레터스 표지.(사진=KAIST)

이 연구 제1저자인 김성현 신소재공학과 석박사통합과정생(4년차)은 전화통화에서 "리튬 배터리 충전과 방전시 리튬이온이 음극재 표면에 군데군데 뭉쳐 들러 붙는 것을 확인했다"며 "이를 제어하면 수명을 대폭 늘리거나 폭발원인인 덴드라이트 제거로 안전성도 확보할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구팀은 배터리 내부를 실시간 전기화학 원자힘현미경(in situ EC-AFM)을 활용해 리튬이 쌓이고(도금) 사라지는(탈리) 전 과정을 추적했다. 그 결과, 리튬 반응이 음극재 표면 전체에서 균일하게 도금되거나 박리되는 것이 아니라, 특정 위치에서 선택적으로 발생한다는 사실을 확인했다.

원자힘현미경은 수 나노미터 크기의 날카로운 탐침을 시료 표면에 접근시켜 원자 사이 상호작용력을 측정함으로써 재료 특성을 파악하는 장비다.

홍승범 교수는 "리튬 금속 배터리가 어디에서, 어떻게 손상되는지를 실험적으로 규명했다는 데 의미가 있다"며 "나아가 리튬이 처음 형성되는 ‘초기 표면 형상'이 배터리 장기 수명을 좌우하는 핵심 변수임을 입증한 것"이라고 설명했다.

연구결과는 신소재·화학·화학공학 분야 국제 학술지 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 지난 2월 24일자 표지논문으로 게재됐다.

KAIST 연구진. 왼쪽부터 홍승범 교수, 김성현 석-박사통합과정생(제1저자), 최영우 박사, 조윤한 박사 .(사진=KAIST)