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아르곤 연구소, 배터리 급속 충전 문제 해결 실마리 찾았다

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아르곤 연구소, 배터리 급속 충전 문제 해결 실마리 찾았다

미국 에너지부 산하 아르곤 연구소가 배터리를 급속 충전하는 중 발생하는 문제를 해결할 실마리를 찾았다. 자료=글로벌이코노믹이미지 확대보기
미국 에너지부 산하 아르곤 연구소가 배터리를 급속 충전하는 중 발생하는 문제를 해결할 실마리를 찾았다. 자료=글로벌이코노믹
미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립연구소 과학자들은 배터리가 충전 및 방전될 때 배터리의 두 단자 중 하나의 흥미로운 화학적 반응을 발견했다.

리튬 이온 배터리는 양극과 음극으로 충전된 양극을 모두 포함하며, 양극은 리튬 이온을 이동시키는 전해질이라는 물질에 의해 분리된다. 이 배터리의 양극은 일반적으로 많은 연필에서 볼 수 있는 동일한 재료인 흑연으로 만들어진다.

그러나 리튬 이온 배터리에서 흑연은 작은 입자로 조립된다. 이런 입자 내부에서 리튬 이온은 인터갈레이션(평면들이 쌓여 있는 구조 물질 사이에 분자나 원자 또는 이온 따위가 삽입되는 현상으로 리튬 이온 배터리에서 리튬이 흑연층 사이에 삽입되는 현상)이라고 불리는 과정에서 스스로 삽입할 수 있다.

인터갈레이션이 제대로 이뤄지면 배터리가 성공적으로 충전 및 방전될 수 있다.

그러나 배터리가 너무 빨리 충전되면 인터갈레이션이 더 까다로워진다. 흑연에 매끄럽게 들어가는 대신에 리튬 이온이 양극 표면 위에 응집되는 경향이 있어 배터리에 최종 손상을 일으킬 수 있는 ‘도금’ 현상을 발생한다.

아르곤 배터리 과학자 다니엘 아브라함은 ‘도금이 급속 충전 중 배터리 성능 저하 주요 원인 중 하나’임을 밝혀냈다. 그는 “배터리를 빠르게 충전함에 따라 양극 표면의 도금 외에도 전극 구멍 내부에 반응 생성물이 축적된다는 것”을 발견했다.

결과적으로 양극 자체는 어느 정도 비가역적인 팽창을 겪으면서 배터리 성능을 손상시키는 것이다.

일리노이 대학 교수인 아브라함은 ‘주사 전자 나노 회절’이라는 기술을 사용해 흑연 입자의 또 다른 변화를 관찰했다. 원자 수준에서는 반복되는 급속 충전으로 인해 입자 가장자리의 흑연 원자 격자가 왜곡되어 인터갈레이션 과정을 방해하는 것을 발견했다.

기본적으로 흑연의 원자 네트워크가 휘어지고 리튬 이온이 입자 내부에서 ‘집’을 찾는 것을 방해하고 대신에 입자 위에 도금이 되는 것이었다. 배터리를 더 빨리 충전할수록 양국은 원자적으로 더 무질서해져 궁극적으로 리튬 이온이 앞뒤로 움직일 수 없게 되었다.

핵심은 이런 조직 손실을 방지하거나 리튬 이온이 보다 효율적으로 삽입될 수 있도록 흑연 입자를 어떻게든 수정하는 방법을 찾으면 문제는 해결될 가능성이 있다는 점을 확인한 것이 연구의 핵심 성과다.

이제 이 연구를 토대로 흑연 원자 격자가 왜곡되어 인터갈레이션 과정을 방해하는 현상을 해결하면 배터리 급속 충전 과정의 방해 현상은 더 이상 문제가 되지 않을 것이다. 이는 휴대폰을 비롯해 전기자동차에 이르기까지 충전 과정에서 발생하는 시간 문제 해결에 큰 도움을 줄 것으로 보인다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com