포스텍 등 국내 연구진, 배터리 충전·방전 속도 조절 규명

임종우 박사

"휴대전화 배터리 충전기 없습니까?"

하루를 버티지 못하는 휴대전화 배터리 충전때문에 식당 등에서 자주 들을 수 있는 소리다. 하지만 앞으로 이런 불편이 최소화될 전망이다. 과학계의 미스터리로 남아있던 배터리 충전과 방전을 결정하는 공식을 밝혀냈기 때문이다. 충전 속도 및 수명 향상 등 배터리 기술의 혁명적 변화가 예고되고 있다.

포스텍 등 국내 연구진들이 주도적으로 참여한 미국 스탠포드대-SLAC(스탠포드대 선형가속기센터)-MIT-로렌스버클리국립연구소 연구팀은 4일 사이언스지를 통해 리튬이온 배터리의 내부를 들어다보는 방법을 알아냈다고 발표했다.

휴대전화와 전기자동차 등에 활용되고 있는 리튬배터리는 충전과 방전 속도를 조절하는 공식이 과학계의 풀리지 않는 숙제로 남아있었다. 이론상 전해질 속의 리튬이온이 전극 물질 안에 들어가는 속도와 나가는 속도가 모두 빨라져야 충전과 방전 속도를 조절할 수 있다고는 알고 있었지만 이에 대한 원리 규명이 어려워 과학계는 애를 먹었다.

연구팀은 입자가속기와 아주 작게 특수 제작한 리튬배터리를 이용해 배터리입자(1마이크로미터'머리카락의 1/100) 내부로 리튬이온이 들어가고 나가는 모습을 실시간 촬영한 뒤 영상을 분석, 배터리가 작동되는 복잡한 원리를 새로운 시공적 역학으로 풀어냈다.

연구팀에 따르면 충전과정에서는 리튬이온이 전극 입자 밖으로 나가고, 방전 중에는 입자속으로 들어간다. 리튬이온은 배터리입자 표면 전체에서 양이 불규칙하게 들어가고 나가는데, 이 불규칙 때문에 배터리 입자에 무리가 가고 균열이 생겨 수명이 줄어들게 된다.

충전과 방전을 빨리 할수록 불규칙성이 억제된다는 사실을 밝혀낸 연구팀은 이를 통해 배터리입자에 무리를 덜 주는 방법을 찾아냈다. 특히 리튬배터리의 충전과 방전 속도를 결정짓는 리튬이온과 전극 물질 사이의 속도공식을 밝혀냈다는 것도 이번 연구의 큰 수확으로 평가받고 있다.

연구의 1저자인 스탠포드대 임종우 박사(포스텍 화학과 졸업)는 "기존에는 리튬배터리 안에 뭉쳐있는 수백억개의 배터리 입자들의 평균성질만 분석할 수 있었지만, 이번 연구를 통해 배터리입자 한개 단위에서 리튬이온이 들어가고 나오는 원리를 파악하게 됐다"며"이 원리를 이용하면 리튬 배터리 성능을 높이기 위한 연구가 더욱 진전될 수 있다. 또 배터리 속도와 수명 향상 뿐 만 아니라 앞으로 연료전지나 촉매와 같은 전기화학분야에도 광범위하게 쓰일 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 스탠포드대 임종우'소홍윤 '이상철 박사'로렌스버클리국립연구소의 유영상 박사 등 한국 과학자들이 주도적으로 참여했다.