[대학저널 오혜민 기자] 경희대학교는 기계공학과 김두호 교수 연구팀이 리튬 금속 배터리 안정성을 확보할 수 있는 새로운 설계인자를 제시했다고 6일 밝혔다.
연구 결과는 세계적인 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials, IF 29.698)’에 10월 6일 자로 게재됐다.
김두호 교수는 “리튬 금속 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 용량이 10배 이상 높지만 충전이 반복되는 과정에서 화재 발생 등 안정성 문제가 발생할 위험이 있다”고 설명했다.
리튬 금속 배터리가 상용화되기 어려운 이유는 배터리 충전이 반복되는 과정 중 음극 표면에서 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하며 결정화되는 덴트라이트 현상에 기인하는데, 리튬 결정이 성장해 양극과 음극의 접촉을 막아주던 분리막을 손상하고 화재를 일으키는 안정성 문제를 야기할 수 있다.
연구팀은 덴드라이트 성장을 조절하는 인자를 확인하기 위해 서로 다른 3개의 알칼리 금속(Li 리튬, Na 소듐, K 포타슘) 음극 모델을 설계했다. 각각의 모델은 덴드라이트의 성장이 비정질 구조와 깊은 관계가 있다는 선행연구를 기반으로, 서로 다른 알칼리 금속의 비정질 모델을 활용해 결과를 비교하고 일반화했다.
연구팀은 알칼리 금속이 재결정화 되는 속도가 느릴수록 덴드라이트 성장 속도가 더디고, 구조 역시 뭉툭하게 형성된다는 사실을 발견했다.
가설 확인을 위한 공동연구도 실시했다. 연구팀은 결정화 속도가 덴드라이트 성장에 영향을 미칠 것으로 가정하고, 원자단위 시뮬레이션을 진행했다. 가설을 나노단위까지 검증하기 위해 한양대 최준명 교수 연구팀과 공동연구를 수행했다.
논문 주저자 최광현 씨는 “계속 안정적 리튬 금속 배터리 현실화를 위해 노력할 것”이라며 “속도뿐 아니라 다양한 설계인자를 찾고, 궁극에는 배터리 설계를 위한 하나의 플랫폼을 개발하고 싶다”고 말했다.
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