리튬 이온 배터리보다 안전하고 효율적인 리튬 금속 배터리의 실현으로 이어지는 근본적인 발견이 확실시

리튬 이온 배터리는 PC, 스마트폰 등의 전자 기기에 이용되고 있지만, 많은 연구자가 배터리의 성능 향상을 도모하기 위해, 「리튬 금속 전지」의 연구 개발을 진행하고 있습니다. 캘리포니아 대학 로스앤젤레스교 연구팀은 특정 조건 하에서 리튬 원자가 일정한 형태를 나타내는 것을 밝혔습니다. 이 발견은 리튬 금속 배터리의 안전성을 높일 수 있을 것으로 기대됩니다.

Ultrafast deposition of faceted lithium polyhedra by outpacing SEI formation | Nature
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06235-w

True shape of lithium revealed for the first time

True shape of lithium revealed for the first time

1980년대에 발명된 금속 리튬과 액체 전해질을 사용한 '리튬 금속 전지'는 새로운 기술로서 큰 기대를 모았습니다. 양전하를 띤 리튬 원자를 전극을 덮는 탄소 바구니에 저장하는 리튬 이온 배터리와는 대칭적으로 리튬 금속 배터리는 전극을 금속 리튬으로 코팅합니다. 따라서 리튬 금속 전지는 리튬 이온 전지에 비해 이론상 약 2배의 에너지를 저장할 수 있습니다.

그러나, 금속 리튬은 화학 물질과 매우 반응하기 쉽고 공기에 노출되면 부식이 발생하여 덴드라이트라고 불리는 리튬 덩어리가 석출 됩니다. 늘어난 덴드라이트가 얽혀 리튬 금속 전지가 단락을 일으켜 결국 발화나 폭발로 이어질 위험성이 지적되어 점차 리튬 금속 전지는 사용되지 않게 되었습니다.

지금까지의 금속 리튬의 구조에 관한 설명은, 「괴상구조」이나 「원주상구조」등의 모호한 것으로, 이 점이 리튬 금속 전지의 기능이나 안전성을 이해하는 데 있어서의 과제가 되고 있었습니다. 그래서 캘리포니아대학 로스앤젤레스교의 유잔 리 연구팀은 리튬 원자를 일부러 부식시키고 그 형상을 관찰하는 연구를 실시했습니다.
 
실험에서 연구팀은 4가지 다른 전해액을 사용하여 금속 리튬에 부식을 발생시켰습니다. 그러자 금속 리튬은 4가지 다른 형상으로 변화하는 것을 발견했다고 합니다.

동시에 연구팀은 극소 전극에 전류를 계속 흘려 금속 리튬이 부식하는 것보다 빨리 전극에 리튬을 퇴적시키는 기술을 개발했습니다. 그러자 부식이 발생하지 않은 리튬 원자는 모두 마름모형 십이면체의 형태를 나타낸다는 것이 판명되었습니다.

리튬 원자가 서로 얽히지 않고 꾸준히 증착되면 리튬 금속 전지의 단점이었던 발화나 폭발 위험을 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

아래 이미지는 연구팀이 이번에 발견한 다이아몬드 십이면체의 형태를 나타낸 리튬 원자(상단)와 부식이 발생함에 따라 나타나는 금속 리튬의 불규칙한 형태를 나타낸 그림입니다.

리 씨는 "이번 발견에서 부식이 없는 경우 본래의 리튬 형상이 밝혀졌습니다. 앞으로는 배터리의 안전성과 성능을 높이면서 리튬의 밀도를 높이는 연구가 필요합니다."라고 말했습니다. 또한, "리튬을 최적으로 퇴적시키기 위해서 추가 연구와 개발이 필요합니다."라고 보고하고 있습니다.