날이 갈수록 악화하는 기후 위기로 전기자동차와 재생 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 늘어나고 있다. 이를 뒷받침하기 위해선 안전하고 높은 효율의 배터리 기술이 요구된다. 리튬금속 배터리는 상용화된 배터리보다 10배 이상 높은 에너지 밀도를 지녀 전 세계 유수의 기업이 개발을 위해 노력하고 있다. 하지만 리튬금속 배터리는 덴드라이트가 형성되는 문제로 상용화가 더디다. 덴드라이트는 리튬금속 배터리 내부에 형성되는 나뭇가지 모양의 결정이다. 이는 배터리 내부 소재의 안전성과 효율성에 악영향을 끼친다. 덴드라이트 형성 억제 기술이 시급한 이유다.

경희대학교(총장 한균태) 기계공학과 김두호 교수 연구팀이 기계적 압력이 리튬금속 배터리 내 덴드라이트 형성에 영향을 미칠 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 이번 연구는 한양대학교 기계공학과 최준명 교수 연구팀과 공동연구를 진행했고, 우수성을 인정받아 저명 국제 학술지 <Advanced Energy Materials>(IF=27.833)9월 호에 게재됐다. 이번 연구로 리튬금속 배터리의 안정성과 효율성을 높이는 새로운 방법이 제안되며 리튬금속 배터리 발전의 밑거름이 될 전망이다.

김두호 교수 연구팀은 덴드라이트 형성을 억제하기 위해, 계산과학 데이터 주도 다중 스케일 분석 방법과 기계학습을 연구에 도입했다. 연구팀은 원자 수준부터 마이크로 스케일까지 다양한 크기의 분석을 진행했다. 원자 수준에서는 리튬금속 소재의 압축에 따른 리튬 결합 길이의 변화를 추적했다. 또한 소재 데이터 주도 기계학습을 통해 열역학적 에너지 변화를 예측해 덴드라이트의 (불)균일도 경향성을 예측했다. 마이크로 스케일에서는 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 열역학적 에너지 변화에 따른 덴드라이트 형성 경향성을 검증해 리튬금속 내부의 덴드라이트 성장을 조절해 배터리 안정성을 높이는 새로운 설계 방법을 제시했다. 김두호 교수는 “덴드라이트 형성을 억제하는 설계 전략을 제시한 만큼 이차전지 다방면으로 활용될 것”이라고 연구 의의를 설명했다.

이번 연구 결과는 높은 효율과 안전성을 담보한 배터리 기술 개발에 큰 도움이 될 전망이다. 연구 주저자인 기계공학과 최광현 학생은 “새롭게 시도되는 설계 전략인 만큼 다양한 관점에서 지속적인 연구가 필요하며 꾸준히 영향력 있는 연구를 이어가겠다”고 말했다.

방완재 다른기사 보기