고려대 유승호 교수팀, 리튬-텔루륨 전지 수명 저하 원인 규명… 방전용량 9배 개선

오하이오주립대와 공동 연구, 충전 시 잔류하는 중간 고체 결정이 성능 저하의 핵심 원인임을 실시간 분석으로 밝혀

고려대학교 화공생명공학과·배터리-스마트팩토리학과 유승호 교수 연구팀이 미국 오하이오주립대학교 화학생물공학과 권상일 교수 연구팀과 공동으로 차세대 배터리인 리튬-텔루륨 전지의 성능 저하 원인을 밝혀내고 수명을 늘리는 데 성공했다.

전지 양극 소재로 널리 연구되는 황은 무게당 용량이 크지만 전기 전도도가 낮아 고속 충전이 어렵다는 단점이 있다. 반면 텔루륨은 높은 부피당 용량을 가지면서도 황보다 전기 전도성이 크게 높아 빠른 전극 반응에 유리한 소재로 꼽힌다. 다만 텔루륨을 양극으로 사용하는 리튬-텔루륨 전지는 충·방전을 반복하면 생성되는 용해성 중간물질이 전해액을 통해 양극과 음극 사이를 오가는 이른바 셔틀 현상이 발생해 수명이 빠르게 줄어드는 한계가 있었다. 기존 연구는 전극 구조 설계를 통한 성능 향상에 주로 집중됐을 뿐, 실제 충·방전 과정에서 벌어지는 복잡한 반응 메커니즘과 성능 저하 원인에 대한 이해는 부족한 상태였다.

연구팀은 이를 규명하기 위해 방사광 엑스선을 이용한 오페란도 분석 기법을 활용했다. 오페란도 분석은 실제로 작동하는 상태 그대로 배터리 내부 물질의 구조와 화학적 변화를 실시간으로 관찰하는 기법으로, 연구팀은 오페란도 X선 회절 분석과 X선 이미지 분석을 병행했다. 분석 결과 리튬-황 전지와 리튬-셀레늄 전지가 방전 과정에서 양극 물질이 고체, 액체, 고체 순으로 변하는 것과 달리, 리튬-텔루륨 전지는 충·방전 과정 중간에 고체 결정인 Li2Te6이 형성되는 고체, 액체, 고체, 액체, 고체의 다섯 단계를 거치는 훨씬 복잡한 경로를 따른다는 사실이 확인됐다.

이 중간 고체 결정의 잔류가 성능 저하의 핵심 원인 가운데 하나였다. 방전 시에는 중간 고체 결정이 작게 형성됐다가 완전히 사라졌지만, 충전 시에는 더 큰 결정으로 성장해 텔루륨으로 완전히 전환되지 못한 채 일부가 남았다. 이렇게 잔류한 중간 고체 결정은 이후 충·방전에서 새로운 결정 성장을 유도하는 씨앗 역할을 하며 성능을 떨어뜨렸다. 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 충전 과정에서 중간 고체 결정이 다음 물질로 전환되는 데 필요한 에너지 장벽이 상대적으로 높아 쉽게 사라지지 않고 점차 축적되면서 큰 결정으로 자라기 쉽다는 점도 밝혀냈다.

연구팀은 이에 충전 시 전류의 세기를 단계적으로 조절해 잔류 중간 고체 결정이 텔루륨으로 전환되도록 하는 맞춤형 충전 전략을 제시했다. 이 전략을 적용한 결과 30회 충·방전 후에도 기존 대비 약 9배 높은 방전용량을 유지하며 배터리 수명, 즉 사이클 성능을 향상시키는 데 성공했다.

유승호 교수는 “고성능 차세대 전지의 개발을 위해서는 충·방전 과정에서 발생하는 복잡한 반응 메커니즘과 성능 열화 원인을 정확히 이해하는 것이 중요하다”며 “이번 연구가 다양한 차세대 전지의 반응 메커니즘을 이해하는 데 도움을 주고, 최종적으로는 차세대 전지 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구에는 고려대 배터리-스마트팩토리학과 최효열 석박사통합과정, 화공생명공학과 김미현 박사, 텍사스A&M대학교 이치호 박사후연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 유승호 교수와 권상일 교수가 공동 교신저자를 맡았다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐고, 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판에 8월 26일 게재됐다. 논문 제목은 ‘리튬-텔루륨 전지의 복잡한 메커니즘에 대한 직접적 시각화(Direct visualization of complex mechanisms in lithium tellurium batteries)’다.

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