지나가면 충전?…압력 충전 리튬이온 배터리 개발

KIST, 압력으로 배터리 충전·전해질 내 전극의 리튬 변화 관찰 및 거동 규명

코어-쉘 구조 나노입자의 리튬화 과정에서 나타나는 스트레스-조성 상관관계 모델

[아시아경제 김철현 기자] 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 전자재료연구단 김상태 박사팀이 한국과학기술원(KAIST) 육종민 교수팀과 공동연구를 통해 배터리 충전, 방전과정에서 압력이 미치는 영향을 밝히고 이를 바탕으로 압력을 가해 충전할 수 있는 리튬이온 배터리의 가능성을 제시했다고 29일 밝혔다.

최근 대용량 에너지저장 매체에 대한 수요가 증가하면서, 고용량 리튬합금 배터리 개발에 관심이 집중되고 있다. 하지만 이 배터리들은 충전, 방전과정에서 발생하는 압력으로 인해 용량이 떨어지고, 부피가 크게 변하는 문제를 가지고 있다. 연구진은 압력이 배터리에 미치는 영향을 나노 단위에서 직접 관찰 및 해석하기 위해 대표적인 고용량 리튬합금 전극 물질인 주석을 활용했다. 실시간 그래핀 액상 투과전자현미경을 통해 표면에 발생하는 압력이 주석 나노입자에 미치는 영향을 확인해 전극 충전 시에 압력에 의한 방전 현상을 직접 관찰하는 데 성공했다. 또한 열역학적 계산과 모델링을 통해 배터리 전극 내 압력 차이를 예측하고 그에 따른 전기화학 에너지 차이가 리튬 이온의 이동 및 방전의 구동력임을 밝혀냈다.

공동연구진은 이번 연구를 통해 압력과 전극 내 리튬 이온의 양이 반비례적 관계를 갖는다는 것을 밝혔다고 설명했다. 이를 기반으로 사람의 밟는 움직임 등으로 압력을 줘 리튬을 이동시켜 충전하는 배터리를 구성할 수 있다는 가능성을 제시했다. 연구진에 따르면 구부리거나 밟는 등 외부에서 힘을 줄 때 충전되는 배터리 소자를 개발해 테스트해 본 결과 성인 남성 1명이 밟았을 때 약 0.5㎃ 정도의 전력이 발생했다.

김상태 박사는 "이번 연구결과는 기계에너지를 전기화학 에너지로 저장한 성과로 고효율 에너지 하베스터 설계에 이바지할 것으로 기대된다"라고 했다. 육종민 교수는 "요즘 안정적이고 장기간 사용할 수 있는 고용량 리튬배터리 소재에 관한 관심이 높은데, 이번 연구를 통해 새로운 고용량 합금 계열 전극의 디자인에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다"라고 밝혔다.