효율적이고 지속 가능한 에너지 저장에 대한 수요가 절정에 달하는 이 시대에, 하버드 대학교 공학 및 응용과학대학의 획기적인 개발은 배터리 기술 분야의 새로운 기준을 제시했습니다. 연구진은 최소 6,000회의 충방전 사이클을 견딜 수 있고 단 몇 분 만에 완전히 충전할 수 있는 새로운 리튬 금속 배터리를 개발했습니다. 이 혁신적인 발전은 배터리 사용 방식을 혁신할 뿐만 아니라 전기 자동차와 같은 산업 분야에서 더욱 실용적인 응용 분야로의 길을 열어줄 것입니다.
이 연구의 핵심은 리튬 금속 음극을 이용한 고체 전지 제작에 있습니다. 이 방법은 혁신적인 배터리 소재에 대한 새로운 통찰을 제시했습니다. 최근 "Nature Materials"에 게재된 이 연구는 리튬 금속 음극의 이해와 활용에 있어 중요한 진전을 보여줍니다. 논문 저자인 신 리(Xin Li)는 "리튬 금속 음극 전지는 배터리의 성배로 여겨집니다. 상용 흑연 음극보다 10배 높은 용량을 자랑하며, 전기 자동차의 주행 거리를 크게 향상시킬 수 있습니다. 이 연구는 산업 및 상업 분야에서 더욱 실용적인 고체 전지를 향한 중요한 발걸음입니다."라고 말했습니다.
이러한 배터리 설계에서 가장 큰 과제 중 하나는 양극 표면에 덴드라이트가 형성되는 것이었습니다. 뿌리처럼 생긴 이 구조물은 전해질 내에서 자라 양극과 음극을 분리하는 장벽을 뚫고 들어가 배터리 단락 및 화재를 유발합니다. 2021년, 리 교수 연구팀은 양극과 음극 사이에 다양한 안정성을 가진 여러 재료를 혼합한 다층 배터리를 설계하여 이 문제를 해결했습니다. 이 다층 및 다중 재료 설계는 리튬 덴드라이트를 완전히 차단하는 것은 아니었지만, 침투를 제어하고 억제하는 데 성공했습니다.
최근 연구에서 연구팀은 마이크로미터 크기의 실리콘 입자를 음극에 통합함으로써 한 단계 더 발전했습니다. 이 접근법은 리튬화 반응을 줄이고 두꺼운 리튬 금속의 균일한 전기 도금을 촉진하여 덴드라이트 형성을 효과적으로 방지합니다. 또한, 전기 도금 및 박리 공정은 평평한 표면에서 빠르게 진행될 수 있어 단 10분 만에 배터리를 완전히 충전할 수 있습니다.
실험 단계에서는 우표 크기의 파우치 배터리가 개발되었는데, 이는 대학 연구실에서 생산되는 대부분의 동전형 배터리보다 10~20배 더 컸습니다. 놀랍게도 이 배터리는 6,000회 충전 후에도 용량의 80%를 유지하여 현재 시중에 나와 있는 다른 파우치형 배터리보다 우수한 성능을 보였습니다.
하버드 대학의 이 혁신은 단순한 학문적 성과를 넘어, 배터리 기술의 비약적인 발전을 의미합니다. 리 교수와 그의 팀이 개발한 리튬 금속 배터리는 향상된 용량, 안전성, 그리고 효율성을 바탕으로 특히 전기 자동차 분야에서 에너지 저장 및 활용에 혁명을 일으킬 잠재력을 지니고 있으며, 더욱 지속 가능하고 에너지 효율적인 미래를 향한 우리의 여정에 중요한 이정표를 세웠습니다.
게시 시간: 2024년 1월 12일
