국내 연구진이 리튬 금속 배터리의 안정성을 높일 수 있는 새로운 설계 방법을 찾았다. 이번 연구결과는 높은 효율과 안전성을 담보한 배터리 기술 개발에 큰 도움이 될 전망이다.
경희대(총장 한균태)는 김두호 기계공학과 교수 연구팀이 기계적 압력이 리튬금속 배터리 내 덴드라이트 형성에 영향을 미칠 수 있다는 사실을 밝혀냈다고 5일 밝혔다.
리튬금속 배터리는 상용화된 배터리보다 10배 이상 높은 에너지 밀도를 갖고 있고, 전기자동차와 재생 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 늘어나는 등 관련 업계도 기술을 개발하는 데 집중하고 있다.
리튬금속 배터리는 충·방전 과정에서 배터리 내부에 형성되는 나뭇가지 모양의 결정 덴드라이트가 형성되는 문제로 상용화가 더뎠다. 이는 배터리 내부 소재 안전성과 효율성에 악영향을 주는 만큼, 덴드라이트 형성 억제 기술이 시급한 상황이다.
이에 김두호 경희대 기계공학과 교수 연구팀과 최준명 한양대 기계공학과 교수 연구팀은 공동연구를 진행, 열역학적 에너지를 활용해 덴드라이트 형성을 억제하는 전략을 제시했다.
이들 연구팀은 덴드라이트 형성을 억제하기 위해 계산과학 데이터 주도 다중 스케일 분석 방법과 기계학습을 연구에 도입했다.
이에 연구팀은 원자 수준부터 마이크로 스케일까지 다양한 크기의 분석을 진행했는데, 원자 수준에서는 리튬금속 소재의 압축에 따른 리튬결합 길이의 변화를 추적했다. 마이크로 스케일에서는 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 열역학적 에너지 변화에 따른 덴드라이트 형성 경향성을 검증해 리튬금속 내부의 덴드라이트 성장을 조절해 배터리 안정성을 높이는 새로운 설계 방법을 제시했다.
김두호 교수는 “이번 연구는 덴드라이트 형성을 억제하는 설계 전략을 제시한 만큼 높은 효율과 안전성을 담보한 배터리 기술 개발에 큰 도움이 될 것으로 전망한다”며 “새롭게 시도되는 설계 전략인 만큼 다양한 관점에서 지속적인 연구가 필요하며 꾸준히 영향력 있는 연구를 이어가겠다”고 말했다.
이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스' 9월호에 게재됐다.
용인=김동성 기자 estar@etnews.com
