국내 연구진이 차세대 이차전지로 꼽히는 리튬금속전지의 성능 저하의 원인인 덴드라이트의 형성을 막는 설계법을 찾았다. 사용자의 안전을 위협하는 화재 발생도 위험도 최소화할 수 있어 배터리 산업계에서 다방면으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
김두호 경희대 기계공학과 교수가 이끄는 연구진은 4일 리튬 금속 내부의 덴드라이트 성장을 억제해 배터리 안정성을 높이는 설계 방법을 개발했다고 밝혔다.
리튬 금속을 음극으로 사용하는 리튬금속전지는 기존 상용화된 제품보다 10배 이상의 에너지 밀도를 자랑한다. 주행 거리가 성능을 결정하는 전기차 시장에서는 리튬금속전지를 차세대 전지 기술로 주목하고 있다. 그러나 전해질에 녹아 있는 리튬 이온이 음극의 리튬 금속에 결합해 만들어지는 덴드라이트로 인해 성능이 떨어지거나 화재가 발생할 위험이 커지는 문제는 여전히 해결하지 못하고 있다.
경희대 연구진은 다중 스케일 분석과 기계학습을 이용해 덴드라이트 형성을 막는 설계 기술을 개발했다. 음극의 리튬 금속 표면의 미세 구조에 따른 덴드라이트 형성 정도를 파악하고 이를 막을 수 있는 최적의 설계를 제안한 것이다.
연구진은 리튬 금속 소재의 압축 정도에 따른 리튬 결합 길이의 변화를 추적했다. 원자 수준부터 마이크로미터(㎛) 단위까지 다양한 단위의 분석을 통해 데이터를 분석했다. 리튬의 미세 구조에 따른 열역학적 에너지 변화는 기계학습을 통해 분석했다.
연구진은 덴드라이트 형성을 최소화할 수 있는 리튬의 압축 정도와 표면 형태를 찾는 데 성공했다. 리튬 압축은 덴드라이트의 형성 속도를 결정하고, 표면 구조는 덴드라이트의 균일도를 결정하는 것으로 나타났다. 최적의 조합으로 리튬 음극을 만들었을 때 덴드라이트의 성장을 최대로 억제해 배터리의 성능과 안전성을 높일 수 있을 것으로 연구진은 기대했다.
김 교수는 "덴드라이트 형성을 막는 설계 전략을 제시한 만큼 이차전지에서 다방면으로 활용될 것"이라고 말했다.