전기차 등의 핵심 소재인 리튬 배터리의 성능을 저하시키는 근본적인 요인이 국내 연구진에 의해 처음으로 규명됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 10일 홍승범 신소재공학과 교수 연구팀이 차세대 배터리인 리튬 금속 배터리의 열화(충·방전 반복 등으로 배터리 용량이 감소하는 현상) 매커니즘을 규명했다고 밝혔다.

왼쪽부터 KAIST 홍승범 교수, 김성현 석-박사통합과정, 최영우 박사, 조윤한 박사. 사진 KAIST

리튬 배터리는 기존의 흑연을 음극재로 사용하는 배터리보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 전기차와 차세대 에너지 저장장치의 핵심 소재로 꼽혀왔다. 그러나 충·방전을 반복하는 과정에서 리튬 일부가 전기적으로 고립된 채 활동하지 못하는 이른바 ‘죽은 리튬’ 현상이 발생하고, 이로 인해 용량이 급격히 줄어드는 고질적인 문제가 있었다. 죽은 리튬이 쌓일수록 배터리 수명은 단축되고 안전성 문제로도 이어져 리튬 배터리 상용화의 걸림돌로 꼽혀왔다.

연구팀은 전기화학 원자힘현미경을 사용해 충·방전 과정에서 리튬이 어떻게 쌓이고 빠져나가는지 실시간 반응을 포착했다. 이 장비는 전기화학 반응이 진행되는 동안 전극 표면의 변화를 나노미터 수준으로 관찰할 수 있다. 기존 연구들은 주로 사후(事後) 분석 방식에 머물렀다. 하지만 리튬 금속 표면은 반응성이 높고, 충·방전 중 형태 변화가 빨라 사후 분석으로는 열화 현상이 어디서 어떻게 시작되는지 파악하기 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀의 관찰 결과, 리튬은 표면 전체에서 균일하게 쌓이고 사라지는 것이 아니라 특정 위치에서만 선택적으로 반응했다. 특히 표면이 가파르거나 구멍이 뚫린 영역에서는 방전 시 리튬이 빠져나간 자리에 빈 공간이 쉽게 형성됐고, 이 과정에서 일부 리튬이 주변과 전기적으로 단절되면서 죽은 리튬으로 남았다. 또, 연구팀은 초기에 리튬이 어떤 형태로 쌓이느냐가 이후 박리(분리) 양상과 열화 진행 방식을 크게 좌우한다는 점도 확인했다. 표면의 미세한 차이가 배터리 수명에 직접적인 영향을 미친다는 것이다.

연구를 주도한 홍승범 교수는 “전기차용 고용량 배터리, 에너지저장장치, 드론·로봇 등 고성능 전원이 필요한 분야에 이번 연구가 응용될 수 있을 것”이라며 “표면 구조를 정밀하게 제어해 배터리 수명과 안전성을 높이는 설계 전략을 수립하는 데 중요한 기초 자료가 될 것으로 기대된다”고 말했다.