전기차와 스마트 기기의 미래를 바꿀 차세대 배터리로 주목받는 고체 배터리의 상용화를 가로막던 결정적인 원인이 밝혀졌다. 학술지 네이처(Nature)에 게재된 최근 연구에 따르면 가넷 고체 전해질 내부에서 발생하는 리튬 수지상 결정의 침투는 기존의 상식과 달리 기계적인 구동력에 의해 발생하는 것으로 확인되었다. 이번 발견은 고체 배터리의 고질적인 문제인 내부 단락 현상을 근본적으로 해결할 수 있는 획기적인 전환점이 될 전망이다.
부드러움이 단단함을 뚫는 역설 바위를 뚫는 물줄기와 같은 정수압 응력
고체 배터리 내부에 형성되는 리튬 수지상 결정(덴드라이트)은 젤리처럼 부드러운 성질을 가졌음에도 불구하고 어떻게 단단한 세라믹 전해질을 파괴할 수 있을까? 막스 플랑크 연구팀은 진공 및 극저온 상태에서의 정밀 분석을 통해 그동안 베일에 싸여 있던 메커니즘을 규명했다. 연구진은 덴드라이트 내부에 축적된 정수압 응력이 결국 고체 전해질의 기계적 파괴를 유발한다는 사실을 입증했다. 이는 마치 부드러운 물줄기가 지속적인 압력을 통해 단단한 바위를 관통하는 것과 같은 원리로, 전기적 흐름보다 강한 기계적 압박이 배터리 쇼트의 결정적 원인이었음을 시사한다.
두 가지 가설의 검증 전자의 누출보다 강력한 기계적 파괴의 영향
그동안 과학계는 수지상 결정의 침투 원인을 두고 내부 응력의 축적과 결정립계를 따르는 전자의 누출이라는 두 가지 가설을 두고 논쟁해 왔다. 연구팀은 균열 내부에 갇힌 리튬의 소성 변형을 분석한 결과, 수지상 결정의 끝부분에 리튬이 농축되지 않았음을 밝혀내며 전자의 누출보다는 기계적 파괴 가설에 힘을 실었다. 위상장 시뮬레이션과 전자 후방산란 회절 측정 결과 역시 리튬의 기계적 구동이 세라믹의 취성 파괴로 이어진다는 점을 뒷받침하며, 고체 배터리 설계 시 기계적 강도 관리의 중요성을 다시 한번 강조했다.
상용화로 가는 방패 균열을 제어하는 세 가지 혁신 방지 전략
수지상 결정에 의한 파괴 원리를 정확히 파악한 연구진은 이제 이를 지연시키거나 예방하기 위한 구체적인 전략을 연구하고 있다. 가능한 접근 방식으로는 고체 전해질의 강도를 보강하여 균열 발생 자체를 늦추는 방법, 전해질 내부에 미세한 공극을 도입하여 수지상 결정이 균열을 우회하도록 유도하는 방법, 그리고 리튬 전극에 특수 보호 코팅을 적용하여 초기 형성 단계를 억제하는 전략 등이 꼽힌다. 이러한 근본적인 거동 이해는 고체 배터리라는 유망한 기술을 실질적인 상용 응용 분야로 전환하는 데 있어 가장 강력한 무기가 될 것으로 기대된다.
[알아두면 좋은 용어]
- 고체 배터리(Solid-State Battery): 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 화재 위험이 적고 에너지 밀도가 높은 차세대 배터리다.
- 리튬 수지상 결정(Dendrite): 배터리 충전 시 리튬 이온이 음극 표면에 나뭇가지 모양으로 쌓이는 현상으로 고체 전해질을 뚫고 지나가 쇼트를 일으킨다.
- 정수압 응력(Hydrostatic Stress): 물체가 모든 방향에서 균일하게 받는 압력으로, 부드러운 리튬이 단단한 세라믹을 관통하게 만드는 물리적 힘의 원천이다.
손동민 에디터 / hello@sciencewave.kr
자료: Tech Xplore
제공: 사이언스웨이브 (https://sciencewave.kr)
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