리튬금속배터리는 그 높은 에너지 밀도로 주목받지만, 기존의 배터리 수명 단축과 안전성 문제를 해결할 새로운 방법이 요구되어 왔습니다. 이에 대한 해답으로 한국기초과학지원연구원(KBSI)의 한옥희 박사 연구팀과 한국과학기술원(KAIST)의 김희탁 교수 연구팀은 공동으로 나노 기술을 활용한 중요한 발견을 했습니다.

이들은 고체 핵자기공명(NMR) 기술을 사용하여 리튬금속배터리의 충전과 방전 과정에서 리튬 금속 전극의 가역성을 분석하고, 리튬 이온의 거동을 원자 수준에서 관찰했습니다. 연구 결과는 국제학술지 'Journal of Energy Chemistry'에 게재되었으며, 이는 리튬금속배터리 연구와 개발에 새로운 지평을 열 것으로 기대됩니다.

그림1. 시료 준비 방법 설명_ 7LI NMR 시료 준비 과정 및 자장에 대한 시료 배향  (위) 시료를 넣은 로터를 마술각도회전 탐침에 삽입하는 과정의 사진 (아래) 외부 자장에 대한 판상 금속 시료(녹색) 배향 정의: (b) 평행 방향, (c) 수직 방향, 회색은 얇은 시료를 평평하게 유지해서 배향의 정확도를 높여주기 위해 사용한 ~800 μm 두께의 PET 판임.

연구팀은 덴드라이트 형성과 전해질 분해로 인한 배터리의 성능 저하를 명확히 이해하기 위해 다양한 배터리 시료를 준비하고, 이를 400MHz 고체 NMR 장비로 분석했습니다. 실험은 배터리의 전극과 전해질을 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 사이에 끼워 넣고, 다양한 방향에서 시료를 조사하여 데이터의 정확도를 높였습니다.

그림2. 핵심 연구데이터 설명_표면 처리를 하지 않은  리튬(Li) 전극, 보호막을 입힌 리튬 전극(Li-PL) 및 LiAg합금 전극(LiAg) 각각으로 구성된 리튬금속 배터리의 데이터 비교 (위) 충방전 동안의 전위 데이터 (아래) 50번 충방전 후의 7LI NMR 스펙트럼들 (회색 신호는 외부 자장 대비 평행한 시료의 신호임.)

상세 설명 : 충방전에 따른 전위 데이터에서 보호막이 있는 전극(파란색)이 가장 배터리 상태가 좋고 그 다음이 LiAg 전극(빨간색)이며, 가장 나쁜 상태가 보호막이 없는 Li 전극(짙은 회색)으로 나타났는데 7LI NMR 스펙트럼에서도 같은 결과를 보여 줌. 7LI NMR 스펙트럼에서 배터리의 성능이 나빠질수록 금속 신호(좌측 2개의 신호)의 선폭이 넓어지는데 이는 금속 전극의 표면이 거칠어지고 덴드라이트가 많아짐을 의미함. 보호막이 있는 경우 신호가 대칭적으로 좁아 덴드라이트 형성이 상대적으로 저조함을 보여줌. 또한 우측의 신호로부터 보호막이 있는 전극(파란색)에 고체-전해질-계면 (SEI)이 상대적으로 적게 생가는 것을 확인함. 

이 연구를 통해, 리튬 이온의 움직임과 전기화학적 데이터, 주사전자현미경으로 측정한 결과가 일치함을 확인했습니다. 또한, 전극과 전해질 사이에 형성되는 '덴드라이트'와 '계면'의 구조를 분석하여 리튬 이온의 운동성을 비교했습니다.

그림3. 충방전에 따른 스펙트럼 설명_표면 처리를 하지 않은  리튬(Li) 전극으로 만든 배터리의 충방전 횟수에 따른 전극-전해질-전극 조합체의  7LI NMR 스펙트럼 비교 (위) 충방전 측정 결과 (아래) 충방전 횟수 변화에 따른 7LI NMR 스펙트럼 변화 (위: 리튬 금속 신호, 아래: 리튬 이온 신호, 회색 신호는 외부 자장 대비 평행한 시료의 신호임)

KBSI 한옥희 박사는 "이번 고체 핵자기공명 실험 결과는 리튬금속배터리 내부에서 일어나는 현상을 더욱 깊이 이해할 수 있는 계기를 마련했다"고 말하며, "앞으로의 연구에서는 분석 방법을 더욱 개선하여 실험을 용이하게 하고, 더 많은 정보를 얻을 수 있도록 할 것"이라고 덧붙였습니다. 이러한 연구는 리튬금속배터리의 성능과 안전성 향상에 크게 기여할 것으로 보입니다.