▲ (상단; a, b) 무음극 배터리와 리튬금속배터리의 100 사이클 후 NCM811 양극 단면 SEM 분석. a, 무음극 배터리, b, 리튬금속배터리. (중간; c, d) 무음극 배터리와 리튬금속배터리의 100 사이클 후 NCM811 양극 단면 SEM 분석. c, 무음극 배터리, d, 리튬금속배터리. (하단; e) FSI- 음이온 고갈 및 계면피막 분해로 인한 NCM811 양극의 교차 효과 / (상단)의 무음극 배터리의 경우 전해질과 충전 상태의 양극 간의 부반응으로 인해 감소된 전극의 가역성으로 인하여 NCM811 양극 표면과 입자 내부에 심한 균열이 발생함. 반면 리튬금속배터리는 양극의 상전이가 가역적으로 지속되어 구조 열화가 제어되었기 때문에 균열 형성에 효과적으로 억제됨. (중단) 무음극 배터리의 경우 사이클 과정에서 NCM811 양극의 지속적인 비가역적 상전이 발생으로 인해 암염 구조가 두껍게 형성되며 열화된 모습을 나타내는 반면, 리튬금속배터리는 사이클 과정에서 상전이가 거의 발생하지 않음을 확인함. / (하단) 구리 집전체 표면에 형성된 음극 계면 보호층의 안정성 저하가 지속적으로 전해질과 양극 구조에 열화를 유발하여, 무음극 배터리의 성능저하를 초래함.(그림 및 설명=KAIST)   © 특허뉴스

전기자동차에 혁신적인 변화를 가져올 수 있는 무음극 배터리가 KAIST 연구진에 의해 고성능화 가능성이 열렸다. 무음극 배터리는 기존 배터리보다 더 높은 에너지 밀도를 제공하며, 한 번 충전으로 최대 800㎞ 주행과 1,000회 이상의 재충전을 목표로 하는 꿈의 배터리다. 그러나 성능 저하와 퇴화 문제는 아직 해결해야 할 난제로 남아 있다. 이에 KAIST 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀은 무음극 배터리의 퇴화 원인을 규명하며 고성능화를 위한 실마리를 제공했다고 밝혔다.

최 교수 연구팀은 무음극 배터리의 첫 충전 시 구리 집전체와 전해질 사이에서 발생하는 반응의 비가역성을 분석하고, 이로 인해 형성된 계면 피막이 불안정해지는 과정을 체계적으로 규명했다. 연구에 따르면, 초기 충전 단계에서 전해질 분해 반응이 일어나면서 리튬금속 표면에 형성되는 계면 피막이 점차 불안정해지며, 이는 배터리 성능을 저하시킬 수 있는 주요 원인임이 밝혀졌다.

최 교수팀은 초기 계면 피막의 형성과 관련된 상세한 메커니즘을 밝혀냈다. 배터리 제조 직후 구리 집전체 표면에 흡착된 용매가 계면 피막을 형성하고, 충전 중 전해질 내 FSI- 음이온이 리튬금속 표면에서 분해되어 불안정한 피막을 형성한다. 이러한 피막 불안정성은 시간이 지남에 따라 자유 용매가 증가하게 하여 배터리 저항을 높이고 양극 구조의 열화를 초래한다. 이로 인해 무음극 배터리는 리튬금속 배터리에 비해 성능이 열세하게 되는 것이다.

본 연구는 무음극 배터리가 높은 에너지 밀도를 갖는 차세대 배터리로 발전하기 위해서는 초기 계면 피막의 안정성이 필수적이라는 결론을 제시했다. 최 교수는 “무음극 배터리의 성능 감소는 전해질이 바람직하지 않은 분해 반응을 하면서 형성된 계면 피막이 불안정해지기 때문이라는 점을 확인했다”며, “이번 연구 성과는 무음극 기술을 기반으로 한 고에너지 배터리 시스템 개발에 중요한 실마리를 제공할 것”이라고 연구의 의의를 강조했다.

이번 연구는 최남순 교수 연구팀의 이정아, 강하늘, 김세훈 연구원이 공동 1 저자로 참여했으며, 국제 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)' 10월호 표지 논문으로 선정돼 연구의 가치를 인정받았다.

KAIST의 이번 성과는 무음극 배터리가 전기자동차의 배터리 성능 문제를 극복하고 더 나아가 차세대 에너지 솔루션으로 자리 잡는 데 중요한 전환점이 될 것이다.

논문명은 Unveiling degradation mechanisms of anode-free Li-metal batteries 이다.