스마트워치나 무선 이어폰을 쓰면서 배터리가 좀 더 오래갔으면 좋겠다는 생각 다들 해보셨죠? 매일 충전기에 연결하는 번거로움만 사라져도 삶의 질이 확 올라갈 텐데요. 그래서 과학계는 기존 배터리보다 에너지를 1.6배나 더 담을 수 있는 '리튬메탈 배터리'를 차세대 구원투수로 점찍어왔습니다.
그러나 치명적인 약점이 있었습니다. 에너지는 넘치는데 정작 충전과 방전을 몇십 번만 반복하면 배터리가 수명을 다해버리는 조기 퇴근 현상 때문이었죠. 이 난제를 해결하기 위해 삼성SDI 연구팀이 미국 컬럼비아대와 손을 잡고 돌파구를 찾아냈습니다.
강력하지만 짧았던 '리튬메탈'의 유혹
리튬메탈 배터리가 '꿈의 배터리'로 불리는 이유는 간단합니다. 배터리에서 에너지를 만들어내는 음극 부위에 흑연 대신 리튬 금속 자체를 사용하기 때문인데요. 부피는 줄이면서 에너지는 훨씬 꽉 채울 수 있어 몸에 착용하는 웨어러블 기기의 혁신을 이끌 기술로 꼽힙니다.
그런데 왜 아직 우리 손안에 들어오지 못한 걸까요? 바로 '덴드라이트(Dendrite)'라고 불리는 뾰족한 결정체 때문입니다. 배터리를 충전할 때 리튬 이온이 음극 표면에 일정하게 쌓여야 하는데, 마치 동굴의 종유석처럼 들쭉날쭉하게 자라나는 현상이 발생합니다.
이 리튬 가시가 계속 자라나 배터리 내부의 분리막을 뚫어버리면 화재가 발생하거나 배터리 수명이 급격히 줄어들게 됩니다. 리튬메탈의 강력한 힘을 알면서도 선뜻 쓰지 못했던 이유였죠.
상용화 문턱 밟았다
삼성SDI와 컬럼비아대 공동연구팀은 이 가시를 억제할 해법을 전해질에서 찾았습니다. 배터리 내부에서 리튬 이온이 잘 이동하도록 돕는 액체를 조금 더 쫀득한 형태인 겔(Gel) 고분자로 바꾸고 여기에 불소 성분을 첨가한 것입니다.
이 불소 겔 전해질은 리튬 금속 표면에 아주 튼튼하고 매끄러운 보호막을 만들어줍니다. 마치 울퉁불퉁한 길을 매끄럽게 포장하는 것처럼 리튬이 한곳에 뭉쳐 가시처럼 돋아나지 못하게 꾹 눌러주는 셈이죠.
삼성SDI에 따르면 실험에서 이 기술을 적용하자 리튬메탈 배터리의 고질병이었던 짧은 수명과 안전성 문제가 동시에 개선된 것으로 나타났습니다. 연구팀은 이번 성과가 실험실 수준을 넘어 상용화 가능성을 획기적으로 높였다고 평가하고 있습니다.
이번 연구의 가치는 세계 최고 수준의 에너지 학술지인 '줄(Joule)' 최신호에 게재되며 학술적으로도 입증됐습니다. 삼성SDI 연구소가 주도하고 미국의 명문대인 컬럼비아대가 힘을 보탠 이번 사례는 글로벌 산학 협력의 모범으로도 불리고 있는데요.
에너지 밀도는 높이고 안전성은 꽉 잡은 이 기술이 완성되면 앞으로 우리는 지금보다 훨씬 얇으면서도 한 번 충전으로 며칠씩 가는 스마트워치는 물론 주행 거리가 획기적으로 늘어난 전기차까지 배터리의 한계를 넘어서는 새로운 일상이 펼쳐질 것입니다.
배터리 업계의 게임 체인저로 떠오른 이번 연구 성과가 차세대 에너지 시대를 앞당기는 든든한 가교가 되길 기대해 봅니다.
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