스탠퍼드대 과학자들, 리튬 금속 배터리 고장 이유 규명

스탠퍼드대학과 미국 에너지부 SLAC 국립가속기연구소의 연구원들은 리튬 금속 배터리가 단락(短絡)되고 고장 나는 원인을 찾아냈다고 30일(현지 시간) 밝혔다.

고체 전해질이 포함된 리튬 금속 배터리는 가볍고 가연성이며 많은 에너지를 함유하고 매우 빠르게 충전할 수 있지만 고장을 일으키는 단락에 문제가 있었다.
네이처 에너지 저널에 발표된 ‘석류석 고체 전해질의 리튬 침입 가능성에 대한 기계적 조절’이라는 제목의 논문 연구자들은 배터리를 강력하게 재충전하는 과정에서 기계적 스트레스가 발생하는 것을 실패의 원인으로 언급했다.

이 보고서에 따르면 배터리의 적당한 들여쓰기, 구부러짐 또는 비틀림만으로도 재료의 나노 균열이 열리고 리튬이 고체 전해질에 침투하여 단락을 일으킬 수 있다고 설명한다. 또 제조 과정에서 유입된 먼지나 기타 불순물도 고장을 일으키기에 충분한 응력을 생성할 수 있다고 밝혔다.
이 같은 현상은 포장도로에 움푹 파이는 곳이 나타나는 방식과 비슷한 원리다. 비와 눈이 내릴 때 자동차 타이어가 포장도로의 작은 결함에 접촉하게 되면 물과 같은 물질이 계속 쌓이고 압력을 가함으로써 균열이 커지는 현상과 같다는 것이다.

리튬은 사실 부드러운 물질이지만, 포트홀(pothole)의 물처럼 압력이 가해지면 틈이 벌어져 고장이 난다. 연구원들은 대장장이가 제품을 생산 중에 칼날을 담금질하는 것처럼 제조 과정에서 재료를 강화하기 위해 이와 동일한 기계적 힘을 사용하는 방법을 찾아냈다.

결론적으로 균열을 방지하는 것이 첫째 방안이며, 균열이 나타날 경우 전해질 표면을 코팅하는 방법이 배터리 단락 방지와 고장 원인을 방지하는 근본적인 해결 방법이라고 연구원들은 밝혔다.


김진영 글로벌이코노믹 기자