KAIST, 전기차 주행거리 늘릴 단서 찾았다…‘죽은 리튬’ 발생 순간 관측

[산업일보]
전기차 주행거리와 배터리 수명 개선의 실마리가 포착됐다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST) 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀은 차세대 배터리의 유력 후보로 주목되는 리튬 금속 배터리의 성능 저하가 시작되는 순간을 나노 수준에서 직접 관찰하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

리튬 금속 음극은 현재 상용화된 흑연 음극보다 에너지 밀도가 10배 이상 높아 ‘꿈의 배터리 소재’로 불린다. 하지만 충·방전을 반복할수록 리튬이 불규칙하게 성장하고, 이 중 일부가 전기적으로 고립되는 ‘죽은 리튬(Dead Lithium)’ 현상이 발생해 수명 저하를 초래하는 구조적 문제가 있었다. 그동안은 배터리를 분해해 사후 분석하는 방식이 주를 이뤄, 반응 중 정확히 어떤 시점에 열화가 발생하는지 파악하기 어려웠다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 배터리 내부 동작을 실시간으로 관찰할 수 있는 ‘실시간 전기화학 원자힘현미경(in situ EC-AFM)’을 도입했다. 이를 통해 리튬이 쌓이는 도금 과정과 사라지는 탈리 과정을 나노미터(머리카락 굵기의 약 10만 분의 1) 수준에서 정밀 추적했다.



관찰 결과, 리튬의 반응은 표면 전체에서 균일하게 일어나는 것이 아니라 특정 위치에서 선택적으로 발생한다는 사실이 밝혀졌다. 특히 표면이 거칠거나 기공이 많은 다공성 영역에서 리튬이 빠져나갈 때 빈 공간이 쉽게 형성됐으며, 이 과정에서 리튬이 주변과 단절되며 ‘죽은 리튬’으로 변하는 순간을 포착했다.

연구팀은 또 리튬이 처음 형성되는 ‘초기 표면 형상(Initial Morphology)’이 배터리의 전체 수명을 결정짓는 주요 변수임을 입증했다. 초기 도금 단계에서 표면 구조를 균일하게 제어해야 배터리 열화를 효과적으로 막을 수 있다는 설명이다.

홍승범 교수는 “이번 연구는 배터리 성능 저하의 근본 원인을 나노 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 크다”며 “보다 오래가고 안전한 차세대 배터리 개발을 위한 중요한 기반이 될 것”이라고 밝혔다.