[굿모닝사이언스] 초음파 장치로 리튬금속전지 화재·폭발 위험 없앴다

리튬금속전지 성능 업그레이드해 상용화에 한걸음

[파이낸셜뉴스] 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 연구진은 리튬금속전지(LMB)를 화재나 폭발 위험이 없애고 상용화 하는데 한걸음 더 나갈 수 있도록 도와줄 초음파 방출 장치를 개발했다. 또한 연구진은 리튬금속전지에 초점을 맞췄지만 이와 상관없이 어떤 배터리에도 사용할 수 있다.

연구진의 이번 연구성과는 국제학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈'에 지난 18일(현지시간) 개재됐다.

이 초음파 방출 장치는 배터리의 일체형 부품으로 초음파를 방출해 양극과 음극 사이에 있는 전해액에서 순환 전류를 만들어 내는 방식으로 작동한다. 이를 통해 리튬금속전지의 가장 큰 문제점인 화재나 폭발을 막을 수 있다.

1센트 동전보다도 작은 초음파 방출 장치는 1억~100억㎐의 매우 높은 주파수에서 음파를 발생시키는 스마트폰 부품으로 만들어졌다. 캘리포니아대학교 제공

이 초음파 장치는 1억~100억㎐의 매우 높은 주파수에서 음파를 발생시키는 일반 스마트폰 부품으로 만들어졌다. 스마트폰에서는 이러한 장치가 주로 무선 이동통신 신호를 필터링하고 음성 통화와 데이터를 식별하고 필터링하는 데 사용된다. 연구원들은 대신 리튬금속전지의 전해질 내에 흐름을 생성하기 위해 초음파 장치를 사용했다.

UC 샌디에이고의 제이콥스 공과대학 기계항공우주공학과 제임스 프렌드 교수는 "스마트폰 기술의 발전은 우리가 리튬금속전지 기술을 향상시키기 위해 초음파를 사용할 수 있도록 해줬다"고 말했다.

현재 리튬금속전지는 수명이 매우 짧기 때문에 전기차에서 전자제품에 이르기까지 모든 것에 적용 가능한 배터리로 여기지 않고 있다. 하지만 이 리튬금속전지는 오늘날의 최고 리튬이온전지의 두배나 되는 용량을 가지고 있다. 예를들어 리튬금속전지로 움직이는 전기차는 똑같은 중량의 리튬이온전지를 사용하는 전기차보다 두배 많이 작동할 수 있다.

연구진은 이 장치를 장착한 리튬금속전지는 250번 충·방전할 수 있고 리튬이온전지는 2000번 이상 충·방전할 수 있다는 것을 보여줬다. 이 배터리는 10분 만에 0~100%씩 충전됐다.

제이콥스 공과대학 나노공학과 핑 류 교수는 "이번 연구를 통해 급속 충전과 고용량 모두 가능하도록 배터리를 만들 수 있게 됐다"고 말했다.

류 교수는 "대부분의 배터리 연구는 더 오래 지속되고 빨리 충전되는 배터리를 개발하기 위한 완벽한 화학물질을 찾는 데 초점을 맞추고 있다"고 말했다.

이와는 대조적으로 프렌드 교수 연구팀은 금속 배터리의 근본적인 문제를 해결하려고 노력했다.

전통적인 금속 배터리의 경우 음극과 양극 사이 전해질 액체가 흐르지 않는다. 그 결과 배터리가 충전되면 전해액속 리튬 이온이 고갈되고 양극에 리튬이 고르지 않게 침전될 가능성이 높아진다. 이는 차례로 양극에서 음극으로 커질 수 있는 덴드라이트라는 바늘 같은 구조를 키워 합선되고 심지어 화재까지 일으킬 수 있다.

덴드라이트는 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정으로 전극 부피팽창과 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다.

샌디에이고 소재과학 박사인 안 황은 "이번 연구에서 가장 어려웠던 부분은 장치를 디자인하는 것"이라고 말했다. 물리적 현상을 이해하고 배터리 내부 장치를 효과적으로 통합할 수 있는 방법을 찾아내 아주 작게 만드는 것이었다
제이콥스 스쿨의 나노공학 박사후 연구원인 하오동 류는 "다음 연구단계는 이 기술을 상업용 리튬이온전지에 적용하는 것"이라고 말했다.

[e-mail] 김만기 기자

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