수십 년 동안 과학자들은 재충전 가능한 배터리 전극에 필연적으로 쌓이는 막이 성능 저하의 원인이라고 믿어 왔습니다. 그러나 최근 미국에서 실시된 연구에 따르면 성능 저하의 이면에는 실제로 다른 이유가 있는 것으로 나타났습니다. 미국 에너지부 산하 태평양북서부국립연구소(PNNL) 연구팀은 배터리 전극의 이끼나 나무 같은 구조에 리튬 금속 침전물이 쌓이는 것이 성능 저하의 근본 원인이 아니라 오히려 부작용이라는 사실을 발견했습니다.
그들의 최신 연구 결과는 최근 Nature Energy 저널에 게재되었습니다.
그들의 결과는 소위 고체 전해질 인터페이스(SEI)가 이전에 생각되었던 전자 절연체가 아니라 반도체처럼 거동한다는 것을 보여줍니다. SEI는 보호자 역할을 하여 리튬 이온이 양극 안팎으로 자유롭게 이동할 수 있도록 해줍니다. 과학자들은 종이보다 얇음에도 불구하고 배터리 성능에 큰 역할을 하는 이 SEI 층을 연구하는 데 오랫동안 집중해 왔습니다.
SEI는 배터리가 아직 새 것이고 이상적으로는 배터리의 예상 수명 동안 안정적으로 유지되는 첫 번째 충전 주기 동안 형성됩니다. 그러나 노화된 충전식 배터리 내부를 살펴보면 일반적으로 음극에 고체 리튬이 많이 축적되어 있음을 알 수 있습니다. 배터리 연구원들은 이러한 축적이 성능 저하로 이어진다고 믿고 있습니다. 그러나 이전에는 원인과 결과를 측정하는 것이 불가능했습니다.
최근 연구에서 그들은 실험 시스템에서 SEI의 전도도를 직접 측정하는 새로운 기술을 개발하여 이 문제를 해결했습니다. 연구팀은 투과전자현미경과 현미경 내에서 미세 가공된 금속 바늘을 나노 규모로 조작하는 방법을 결합했습니다. 그런 다음 연구진은 네 가지 유형의 전해질을 사용하여 구리 또는 리튬 금속 위에 형성된 SEI 층의 전기적 특성을 측정했습니다.
이를 통해 그들은 배터리 작동에서 SEI가 어떻게 작동하는지에 대한 오랜 미스터리를 풀었습니다. 연구팀의 측정 결과, 셀 전압이 증가함에 따라 모든 경우에 SEI 층에서 전자가 누출되어 반도체가 되는 것으로 나타났습니다. 또한 SEI 층의 탄소 함유 유기 성분은 전자 누출을 쉽게 일으키고 배터리 수명을 단축시킵니다.
이번 연구를 공동 주도한 PNNL 실험실 연구원이자 배터리 기술 전문가인 Chongmin Wang은 "전도도가 높을수록 SEI가 더 두꺼워지고 고체 리튬 형태가 복잡해 궁극적으로 배터리 성능이 저하됩니다"라고 말했습니다.
이 시점에서 연구원들은 SEI의 유기 구성 요소를 최소화하면 배터리 수명이 길어질 것이라고 결론지었습니다.
Wang은 "SEI를 통한 전도율의 작은 변화라도 효율성과 배터리 사이클링 안정성에 큰 차이를 가져올 수 있습니다"라고 덧붙였습니다.