충전식 리튬 이온 배터리는 노트북, 휴대폰, 전기 자동차 등 우리 일상생활의 많은 전자 기기에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 오늘날 시판되는 리튬 이온 배터리는 일반적으로 배터리 셀 중앙에 전해질이라고 불리는 액체 용액을 사용합니다.

배터리가 기기에 전력을 공급할 때는 리튬 이온이 음극(애노드)에서 액체 전해질을 통해 양극(캐소드)으로 이동합니다. 배터리를 충전할 때는 이온이 반대 방향으로 양극에서 전해질을 통해 애노드로 흐릅니다.

액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리는 과충전이나 단락 시 화재가 발생할 수 있다는 심각한 안전 문제를 안고 있습니다. 액체 전해질보다 안전한 대안은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 전달하는 데 고체 전해질을 사용하는 배터리입니다.

하지만 이전 연구에 따르면 고체 전해질을 사용하면 배터리 충전 중에 양극에 덴드라이트라고 불리는 작은 금속 결정이 생성되는 것으로 나타났습니다. 이러한 덴드라이트는 낮은 전류에서도 배터리를 단락시켜 사용할 수 없게 만듭니다.

수지상 결정은 전해액과 양극 경계면의 미세한 결함에서 시작됩니다. 최근 인도의 과학자들이 수지상 결정 성장을 늦추는 방법을 발견했습니다. 전해액과 양극 사이에 얇은 금속층을 추가함으로써 수지상 결정이 양극으로 자라 들어가는 것을 막을 수 있었습니다.

과학자들은 이 얇은 금속층을 만들기 위한 가능한 금속으로 알루미늄과 텅스텐을 선택했습니다. 그 이유는 알루미늄과 텅스텐 모두 리튬과 혼합되거나 합금되지 않기 때문입니다. 과학자들은 이것이 리튬에 결함이 생길 가능성을 낮출 것이라고 생각했습니다. 만약 선택된 금속이 리튬과 합금된다면, 시간이 지남에 따라 소량의 리튬이 금속층으로 이동할 수 있습니다. 이렇게 되면 리튬 내부에 공극이라고 불리는 결함이 생기고, 그 안에서 수지상 결정이 형성될 수 있습니다.

금속층의 효과를 검증하기 위해 세 가지 유형의 배터리를 제작했습니다. 하나는 리튬 양극과 고체 전해질 사이에 얇은 알루미늄 층을 넣은 배터리, 다른 하나는 얇은 텅스텐 층을 넣은 배터리, 그리고 마지막 하나는 금속층이 없는 배터리입니다.

배터리를 테스트하기 전에 과학자들은 주사 전자 현미경이라는 고성능 현미경을 사용하여 양극과 전해질 사이의 경계면을 자세히 관찰했습니다. 그들은 금속층이 없는 샘플에서 작은 틈과 구멍을 발견했으며, 이러한 결함이 수지상 결정이 자랄 가능성이 높은 곳이라는 점을 지적했습니다. 알루미늄과 텅스텐 층으로 이루어진 배터리는 모두 매끄럽고 연속적인 표면을 보였습니다.

첫 번째 실험에서 각 배터리에 24시간 동안 일정한 전류를 흘려보냈습니다. 금속층이 없는 배터리는 덴드라이트 성장으로 추정되는 현상 때문에 9시간 이내에 단락되어 고장났습니다. 반면 알루미늄이나 텅스텐이 포함된 배터리는 이 초기 실험에서 고장나지 않았습니다.

어떤 금속층이 수지상 결정 성장을 억제하는 데 더 효과적인지 알아보기 위해 알루미늄과 텅스텐 층 샘플만을 사용하여 추가 실험을 진행했습니다. 이 실험에서는 이전 실험에서 사용한 전류부터 시작하여 각 단계마다 전류 밀도를 조금씩 증가시키면서 배터리를 충방전했습니다.

배터리가 단락되는 전류 밀도는 덴드라이트 성장에 대한 임계 전류 밀도로 간주되었습니다. 알루미늄 층이 있는 배터리는 초기 전류의 3배에서 고장났고, 텅스텐 층이 있는 배터리는 초기 전류의 5배 이상에서 고장났습니다. 이 실험은 텅스텐이 알루미늄보다 우수한 성능을 보임을 보여줍니다.

과학자들은 다시 한번 주사 전자 현미경을 사용하여 양극과 전해질 사이의 경계를 관찰했습니다. 그 결과, 이전 실험에서 측정한 임계 전류 밀도의 3분의 2 지점에서 금속층에 공극이 형성되기 시작하는 것을 확인했습니다. 그러나 임계 전류 밀도의 3분의 1 지점에서는 공극이 존재하지 않았습니다. 이는 공극 형성이 수지상 결정 성장보다 선행한다는 것을 입증했습니다.

과학자들은 텅스텐과 알루미늄이 에너지 및 온도 변화에 어떻게 반응하는지에 대한 기존 지식을 활용하여 리튬이 이러한 금속들과 어떻게 상호작용하는지 이해하기 위한 컴퓨터 계산을 수행했습니다. 그 결과, 알루미늄 층은 리튬과 상호작용할 때 실제로 공극이 발생할 가능성이 더 높다는 것을 입증했습니다. 이러한 계산을 활용하면 향후 실험에 사용할 다른 금속을 선택하는 데 도움이 될 것입니다.

이 연구는 전해질과 양극 사이에 얇은 금속층을 추가하면 고체 전해질 배터리의 신뢰성이 향상된다는 것을 보여주었습니다. 또한 연구진은 특정 금속(이 경우 알루미늄 대신 텅스텐)을 선택하면 배터리 수명이 더욱 길어질 수 있다는 것을 입증했습니다. 이러한 유형의 배터리 성능을 개선하면 현재 시판 중인 인화성이 높은 액체 전해질 배터리를 대체하는 데 한 걸음 더 다가설 수 있을 것입니다.