안전한 리튬금속전지 실현으로 이어질 발견?

리튬이온 배터리는 PC와 스마트폰 등 전자기기에 이용되고 있지만 많은 연구자가 배터리 성능 향상을 도모하기 위해 리튬금속전지 연구 개발을 진행하고 있다. 캘리포니아대학 LA 연구팀은 특정 조건 하에서 리튬 원자가 일정 형태를 나타내는 걸 밝혔다. 이 발견은 리튬금속 배터리 안전성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

1980년대 발명된 금속 리튬과 액체 전해질을 이용한 리틈금속전지는 새로운 기술로 큰 기대를 모으며 시장에 등장했다. 양전하를 띤 리튬 원자를 전극을 덮은 탄소 바구니에 저장하는 리튬이온 배터리와 대칭적으로 리튬금속 배터리는 전극을 금속 리튬으로 코팅한다. 따라서 리튬금속 전지는 리튬이온 전지에 비해 이론상 2배 에너지를 저장할 수 있게 됐다.

금속리튬은 화학 물질과 반응하기 쉽고 공기에 노출되면 부식이 발생해 덴드라이트라고 불리는 리튬 덩어리가 석출된다. 늘어난 덴드라이트가 얽혀 리튬금속 전지가 단락을 일으켜 결국 발화나 폭발로 이어질 위험성이 지적되어 점차 리튬금속전지는 사용되지 않게 됐다.

지금까지의 금속리튬 구조에 관한 설명은 괴상 등 모호한 것으로 이 점이 리튬금속전지 기능이나 안전성을 이해하는데 있어 과제가 되고 있었다. 연구팀은 리튬 원자를 일부러 부식시키고 형상을 관찰하는 연구를 실시했다. 실험에서 연구팀은 4가지 다른 전해액을 사용해 금속리튬에 부식을 발생시켰다. 그러자 금속리튬은 4가지 다른 형상으로 변화하는 걸 알았다고 한다.

동시에 연구팀은 극소 전극에 전류를 흘려 금속리튬이 부식하는 것보다 빨리 전극에 리튬을 퇴적시키는 기술을 개발했다. 그러자 부식이 발생하지 않은 리튬 원자는 모두 마름 모형인 십이면체 형태를 나타내는 게 판명됐다. 리튬 원자가 서로 얽히지 않고 꾸준히 증착되는 건 리튬금속전지 단점이었던 발화나 폭발 위험을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀이 이번에 발견한 다이아몬드 십이면체 형태를 나타낸 리튬 원자와 부식이 발생함에 따라 나타나는 금속 리튬의 불규칙한 형태를 나타낸다. 연구팀은 이번 발견에 따라 부식이 없는 경우 원래 리튬 형상이 밝혀졌다며 앞으로는 배터리 안전성과 성능을 높이면서 리튬 밀도를 높이는 연구가 필요하다고 밝혔다. 또 리튬을 최적으로 퇴적하기 위해 추가 연구와 개발이 요구된다고 덧붙였다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.