[이데일리 강민구 기자] 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 배터리가 망가지는 순간을 포착해 전기차의 주행거리를 늘릴 단서를 제시했다.

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

리튬 금속은 기존 배터리보다 에너지 밀도가 높아 ‘꿈의 배터리 소재’로 불리지만 충·방전을 반복할수록 성능이 떨어진다. 특히 리튬이 불규칙하게 쌓이거나 떨어져 나가며 전기적으로 단절된 ‘죽은 리튬(dead lithium)’이 형성되면 배터리 성능 저하와 안전성 문제까지 초래할 수 있다.

연구팀은 배터리 내부를 실시간으로 관찰할 수 있는 실시간 전기화학 원자힘현미경으로 리튬이 쌓이고, 사라지는 과정을 추적했다. 그 결과, 리튬 반응이 표면 전체에서 균일하게 일어나는 것이 아니라 특정 위치에서 선택적으로 발생한다는 사실을 확인했다.

표면이 거칠거나 구멍이 많은 다공성 영역에서는 리튬이 떨어져 나갈 때 빈 공간이 쉽게 형성됐고, 이로 인해 리튬이 전기적으로 고립되는 ‘죽은 리튬’이 만들어지는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 배터리 성능을 급격히 저하시키는 직접적인 원인으로 작용한다.

연구는 리튬 금속 배터리가 어디에서, 어떻게 손상되는지를 실험적으로 규명했다는 데 의미가 있다.

향후 리튬이 형성되는 표면을 균일하고 정밀하게 제어할 경우, 배터리 수명과 안정성을 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 전기차 주행거리 증가와 장수명 배터리 개발을 동시에 실현할 수 있는 설계 방향을 제시한 셈이다.

홍승범 교수는 “배터리 성능 저하의 원인을 나노 수준에서 확인했다는 점에서 의미가 있다”며 “보다 오래가고 안전한 차세대 배터리 개발을 위한 기반이 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 지난 2월 24일자로 게재됐다.