전고체 배터리는 수년째 '말만 무성하고 실체는 없는' 기술로 남아 있다. 획기적인 발전 소식은 끊임없이 들리지만, 실제로 살 수 있는 양산 전기차는 아직 없다. MIT의 새 연구가 그 이유와 해법을 제시했다.
덴드라이트라는 고질적 결함
완성차 업체들은 전고체 배터리 EV가 더 멀리 달리고, 더 빨리 충전되며, 액체 전해질의 화재 위험을 없앨 수 있다고 주장한다. 하지만 개발 속도는 답답할 만큼 더딘데, 그 원인 중 하나가 배터리 내부에서 자라나는 미세한 리튬 금속 스파이크, '덴드라이트'다.
MIT와 뮌헨공과대학교 연구진은 이 금속 스파이크의 주요 원인과 잠재적 해법을 밝혀냈다고 발표했다. 이온이 양극과 음극 사이를 이동하도록 돕는 고체 전해질은 수많은 미세 결정립으로 이뤄져 있는데, 각 결정립 사이의 경계('결정립계')가 문제의 핵심이다. 네이처 나노테크놀로지에 게재된 논문에 따르면, 결정립계에는 숨겨진 전기적 불균형이 존재해 리튬 이온의 이동을 방해하고 전자가 경계에 모이게 만들어 덴드라이트 형성을 촉진한다.
MIT 재료공학과 교수 해리 툴러는 "결정립계는 마치 날씨 같은 것"이라며 "모두가 이야기하지만 아무도 손대지 않는다. 이번 논문에서 우리는 결정립계 문제를 실제로 해결하기로 했다"고 밝혔다.
해법과 성과
연구팀은 '리튬 란탄 지르코네이트'라는 고체 전해질을 대상으로 AI와 특수 기법을 활용해 이 경계를 가로지르는 전류 흐름을 매핑했다. 불균형의 원인을 파악한 후 전해질 가공 방식을 조정해 손상을 최소화했고, 그 결과 리튬 이온이 덴드라이트 형성 없이 더 자유롭게 이동하며 에너지 손실도 줄었다. 전류 밀도는 기준 샘플 대비 300% 이상 높아졌다. 즉 충방전 속도가 기존 전고체 설계보다 빠르고, 사용 수명도 더 길어졌다는 의미다.
다만 이는 어디까지나 실험실 단계의 결과다. 완성차 업체와 배터리 회사들은 저마다 독자적인 방식으로 전고체 배터리의 결함 제거를 시도하고 있다. 덴드라이트 외에도 비용 절감과 결함 없는 대량 생산이 여전히 큰 과제로 남아 있다. 그럼에도 이번 발견은 전고체 배터리를 실현할 수 있는 또 다른 경로가 존재할 수 있음을 보여주며, 막혀 있던 배터리 업계에 새로운 실마리를 제공할 수 있다.
출처 : https://insideevs.com/news/800908/new-solid-state-battery-study-dendrite-formation/