한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구단 김상태 박사팀은 KAIST 육종민 교수팀과 공동연구를 통해 배터리 충전, 방전과정에서 압력이 미치는 영향을 밝히고, 이를 바탕으로 압력을 가해 충전할 수 있는 리튬이온 배터리의 가능성을 최초로 제시했다.

최근 대용량 에너지저장 매체에 대한 수요가 증가하면서, 고용량 리튬합금 배터리 개발에 관심이 집중되고 있다. 하지만 이 배터리들은 충전, 방전과정에서 발생하는 압력으로 인해 용량이 극심하게 떨어지고, 부피가 크게 변하는 문제를 갖고 있다. 수많은 연구진이 그 압력과 그로 인한 효과를 최소화하기 위해 노력하고 있지만 리튬 전지 전극에 압력을 주었을 때 나타나는 현상은 나노 단위에서 일어나기 때문에 실험 환경 조성에 어려움이 있어 직접적인 측정 및 관찰이 어려웠다.

KIST·KAIST 공동연구진은 압력이 배터리에 미치는 영향을 나노 단위에서 직접 관찰 및 해석하기 위해 대표적인 고용량 리튬합금 전극 물질인 주석을 활용했다. 실시간 그래핀 액상 투과전자현미경을 통해 표면 압력이 주석 나노입자에 미치는 영향을 확인, 전극 충전 시에 압력에 의한 방전 현상을 최초로 직접 관찰하는 데 성공했다.

연구팀은 압력과 전극 내의 리튬 이온의 양이 반비례적 관계를 가짐을 밝혔다. 열역학적 계산과 모델링을 통해 배터리 전극 내 압력 차이를 예측하고 전기화학 에너지 차이가 리튬 이온의 이동 및 방전의 구동력임을 해석했다. 압력을 통해 리튬을 이동시켜 충전하는 배터리 구성 가능성을 제시했다.

연구진은 구부리거나 밟는 등 외부에서 힘을 줄 때 충전되는 배터리 소자를 개발해 테스트해 본 결과, 성인 남성 1명이 밟았을 때 약 0.5 mA 정도의 전력이 발생했다. 이는 성인 4명이 밟는다고 가정했을 때, 저전력 블루투스 모듈이 부착된 센서(약 2mA)를 구동하는 것이 가능한 전력이다.

외부에서 전기를 공급하지 않아도 스스로 전기를 발생시키고 저장하는 이 소자는 향후 보도블럭 등에 설치되면 낭비되는 에너지를 전기로 변환하는 에너지 하베스팅에 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

KIST 김상태 박사는 “이번 연구결과는 기계에너지를 전기화학 에너지로 저장 가능한 성과로, IoT 센서 등 고효율 에너지 하베스터 설계에 이바지할 것으로 기대된다”고 말했다.

KAIST 육종민 교수는 “요즘 전기자동차, ESS 등 안정적이고 장기간 사용할 수 있는 고용량 리튬배터리 소재에 관한 관심이 높은데, 이번 연구를 통해 새로운 고용량 합금 계열 전극의 디자인에 이바지할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업, KAIST 글로벌 특이점 연구사업의 지원을 받아 수행되었으며, 소재 분야 국제 저널인 ‘Nature Communications’ (IF: 11.88, JCR 분야 상위 6.5%) 최신호에 게재됐다.

* (논문명) Strong Stress-Composition Coupling in Lithium Binary Alloys

– (제 1저자) 한국과학기술원 서현국 박사과정

  • 공저자) 한국과학기술연구원 강종윤 책임연구원

– (교신저자) 한국과학기술연구원 김상태 선임연구원

한국과학기술원 육종민 교수