최근 전기자동차 보급 확산과 더불어 탑재된 리튬기반 배터리의 열폭주 화재사건도 이슈가 되고 있다.
이는 기존 리튬이온배터리는 물론 차세대 이차전지인 리튬금속배터리에서도 해결이 요구되는 문제다.
리튬금속배터리는 리튬이온배터리보다 높은 에너지밀도를 가지면서도 무게와 부피를 줄일 수 있어 전기차, 드론 등의 작동시간 향상을 기대할 수 있다.
그러나 리튬금속배터리 역시 덴드라이트 형성, 전해질 분해 등으로 인한 수명 단축과 화재 가능성을 갖는다.
덴드라이트는 충전 때 리튬금속 전극표면에 균일하고 매끈러운 리튬이온이 리튬금속으로 환원되지 않고 나뭇가지처럼 자라며 뻗어가는 현상으로, 배터리 내부 분리막을 관통하면 순간적으로 대량 전류가 흐르면서 열폭주 화재를 유발한다.
리튬금속배터리 성능 향상을 위한 나노 분석법
한국기초과학지원연구원(KBSI)은 수도권센터 한옥희 박사팀이 KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수팀과 공동연구로 고체 핵자기공명(NMR) 장비를 활용해 리튬금속배터리 충⋅방전에 따른 리튬금속 전극 가역성을 분석하고 리튬이온 거동을 관찰하는 데 성공, 향후 리튬금속배터리 연구 수행에 유용한 지침을 수립했다고 23일 밝혔다.
표면 처리를 하지 않은 리튬(Li) 전극, 보호막을 입힌 리튬 전극(Li-PL) 및 LiAg합금 전극(LiAg) 각각 구성된 리튬금속배터리의 데이터 비교. 한국기초과학지원연구원 리튬금속배터리의 수명단축이나 화재 등에 대한 원인규명을 위한 분석기술로 NMR 원리를 이용해 리튬금속 전극의 물리⋅화학적 상태를 관찰하는 방법이 있다.
그러나 기존 고체 NMR 분석은 시료준비와 데이터 해석에 불분명한 부분이 있었다.
이에 KBSI 연구진은 배터리시료 형태 및 크기, 시료 절단방법, 외부자기장에 대한 방향성, 세척 및 건조 유무 등 기초 실험과정을 최적화했다.
아울러 이를 기반으로 전극소재 및 충방전 조건이 다른 다양한 배터리를 연구, 금속전극의 가역성을 원자수준에서 관찰할 수 있음을 입증했다.
특히 보편적인 마술각도회전 탐침으로 더 많은 실험실에서 고체 NMR 장비를 이용해 판형 금속 시료 관찰 가능성을 높였다.
연구팀은 실험 수행을 위해 배터리로부터 전극과 전해질 조합체를 추출해 PET 소재인 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 사이에 시료를 끼우고 400㎒ 고체 NMR를 사용해 데이터를 구했다.
400㎒ 고체 NMR. 한국기초과학지원연구원 연구팀은 데이터의 신뢰도를 높이기 위해 평면형 시료를 외부 자기장에 대해 평행방향과 수직방향으로 모두 배향시켰다.
실험결과 전기화학적 데이터 및 주사전자현미경으로 측정한 결과와 일치함을 확인했고, 특히 덴드라이트, 고체 전극과 전해질 사이의 계면이 형성되는 것을 관찰하고, 리튬이온의 운동성을 비교할 수 있었다.
이번 연구에서 KBSI는 고체 NMR 실험 및 분석을, KAIST는 리튬금속배터리 시료제작 및 전기화학 분석과 주사전자현미경 분석을 진행했다.
한 박사는 “이번 연구는 배터리 안에서 일어나는 현상을 전극 표면구조와 리튬이온 운동성 면에서 분석할 수 있음을 의미한다”고 설명했다.
한편 이번 연구는 국제학술지 'Journal of Energy Chemistry' 3월 12일자에 게재됐다.
