전기차 주행거리와 배터리 수명을 동시에 늘릴 수 있는 차세대 배터리 기술의 핵심 단서가 국내 연구진에 의해 확인됐다. 특히 연구팀은 이번 연구가 전기차 장거리 주행과 장수명 배터리 상용화의 기반이 될 것으로 기대하고 있다.

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

리튬 금속은 기존 배터리보다 에너지 밀도가 높아 차세대 배터리 소재로 주목받고 있지만 충·방전 반복 과정에서 성능이 급격히 저하되는 문제가 상용화 걸림돌로 꼽혀왔다.

특히 충·방전 과정에서 전기적으로 단절된 ‘죽은 리튬(dead lithium)’이 형성되면 배터리 성능과 안전성이 떨어지는 문제가 발생한다.

연구팀은 실시간 전기화학 원자힘현미경(in situ EC-AFM)을 활용해 배터리 내부에서 리튬이 쌓이고 제거되는 과정을 직접 관찰했다.

분석 결과 리튬 반응은 표면 전체에서 균일하게 발생하는 것이 아니라 특정 위치에서 선택적으로 일어나는 것으로 나타났다. 표면이 거칠고 구멍이 많은 다공성 영역에서는 리튬이 제거되는 과정에서 빈 공간이 형성되며 전기적으로 고립된 ‘죽은 리튬’이 생성되는 것으로 확인됐다.

연구팀은 이번 연구를 통해 리튬 금속 배터리 손상 원인을 실험적으로 규명했으며 초기 표면 형상이 배터리 장기 수명을 결정하는 핵심 변수라는 점을 확인했다고 설명했다. 앞으로 리튬 형성 표면을 균일하게 제어할 경우 배터리 수명과 안정성을 높일 수 있을 것으로 전망했다.

홍승범 교수는 “배터리 성능 저하 원인을 나노 수준에서 직접 확인한 연구”라며 “장수명·고안전성 차세대 배터리 개발 기반이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 신소재공학과 김성현 박사과정 연구원이 제1저자로 참여했으며 연구 결과는 국제학술지 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 게재돼 표지논문으로 선정됐다. 이번 연구는 LG에너지솔루션과 한국연구재단 지원을 받아 수행됐다.