리튬이온 배터리는 전기차와 에너지저장시스템(ESS)의 핵심 기술로 그 성능은 전극 내부에서 리튬이온이 얼마나 빠르고 안정적으로 이동하는지에 달려 있다. 그동안 과학계에서는 리튬 이동을 ‘농도 구배(concentration gradient)’에 따른 단순 확산현상으로 설명해 왔다. 즉, 잉크가 물속에 퍼지듯, 리튬 이온도 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 향한다는 것이 정설이었따.
그러나 실제 배터리에서는 충방전 과정 동안 입자 내부의 팽창, 수축 및 미세 변형이 반복적으로 발생하며, 이러한 물리적 요인이 리튬 이동에 미치는 영향은 지금까지 실시간으로 관찰된 적이 없었다. 따라서, 리튬 이온 이동을 결정짓는 요인은 무엇인가?라는 오랜 과학적 난제가 남아 있었다.
서울대학교 화학부 임종우 교수 연구팀( 제1저자: 이단원 박사, 남치현 박사과정 연구원)은 포항방사광가속기 연구소 (PAL)과 미국 로렌스버클리국립연구소 (LBNL)과 협력하여 리튬 이온의 실제 이동 경로가 농도뿐아니라 내부 응력(strain)에 의해 영향을 받을 수 있다는 사실을 규명하였다.
연구팀은 방사광가속기 기반의 실시간 연X선 현미경(STXM)과 브래그 결맞는 회절 이미징(Bragg Coherent Diffraction Imaging (BCDI)) 기술을 결합하여, 나노미터 크기의 단결정 삼원계 양극 입자 내부에서 리튬 이온이 이동하는 경로를 실시간으로 시각화하는 데 성공했다.
관찰 결과, 리튬 이온은 단순히 농도 차이에 따라 이동하지 않았다. 입자 내부의 응력장 분포, 즉 고체 격자의 미세한 팽창과 수축에 따라 리튬의 이동 경로가 변하며, 떄로는 나노미터 수준에서 리튬이 뭉치고, 흩어지며 심지어 농도가 높은 쪽으로 거슬러 올라가는 비정상 확산(anti-gradient diffusion) 현상도 포착됐다.이는 리튬 이동이 농도뿐 아니라 내부 응력과도 밀접히 연결되어 있음을 보여주는 실험적 증거다.
또한 연구팀은 내부 응력 때문에 표면 리튬 희박 영역(Li-dilute region)이 형성될 경우 리튬의 진입/탈리 반응이 원활해져 급속 충전 성능이 향상됨을 확인했다.
이로써 리튬 이동 효율을 높이기 위해서는 단순한 농도 제어가 아니라 소재의 미세한 기계적 특성까지 정밀하게 설계해야 한다는 새로운 전략을 제시했다.
서울대학교 화학부 임종우 교수 연구팀 (제1저자 이단원 박사, 남치현 박사과정)이 리튬이온 배터리 내부에서 리튬 이온의 이동에 영향을 미치는 숨은 변수, ‘내부 응력(strain)’을 처음으로 규명했다.이번 연구는 배터리의 충방전 과정에서 리튬 이온이 단순히 농도 차이에 따라 확산된다는 기존 이론을 넘어, 미세한 결정 격자 변형이 리튬 이동과 밀접히 연관되어 있음을 실험적으로 입증했다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 연구 결과는 10월 10일자 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 에 게재됐다.
리튬이온 배터리의 성능은 리튬 이온이 전극내부에서 얼마나 빠르고 안정적으로 이동하는지에 달려 있다. 그동안 학계에서는 리튬 확산을 농도 구배(concentration gradient)에 의한 단순 확산 현상으로 설명해 왔다. 하지만 실제 배터리 작동 중에는 리튬의 삽입과 탈리가 반복되며 소재 내부가 미세하게 팽창·수축하고,이러한 응력장(strain field) 이 리튬 이동에 어떤 영향을 미치는지는 실시간으로 관찰된 적이 없었다.
임종우 교수 연구팀은 포항방사광가속기연구소(PAL)와 미국 로렌스버클리국립연구소(ALS)와 협력해 실시간 (operando) 연X선 현미경(STXM) 과 코히어런트 회절 이미징(BCDI) 기술을 결합했다. 이를 통해 단결정 삼원계 LiNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃O₂(NMC) 입자 내부의 리튬 농도 분포와 응력 변화를 나노미터 해상도로 실시간 추적했다.
그 결과, 리튬 이온은 단순히 농도 차이에 따라 이동하지 않고, 응력장의 분포에 따라 이동 경로가 달라지며, 리튬이 뭉치거나 흩어지고, 때로는 농도가 높은 영역으로 역이동(anti-gradient diffusion) 하는 현상도 관찰되었다. (그림1)
이러한 결과는 리튬 이동이 농도뿐 아니라 내부 응력과도 강하게 연결되어 있음을 보여주는 실험적 근거로, 리튬 확산 거동에 대한 이해를 한 단계 확장시킨다. (그림2)또한 연구팀은 소재 표면의 리튬 농도를 국소적으로 낮춘 영역(Li-dilute region)이 형성되면 리튬 이온의 진입이 원활해져 급속 충전 성능이 향상된다는 점도 확인했다. 이는 단순한 농도 제어를 넘어, 소재의 미세한 기계적 특성까지 정밀하게 설계해야 한다는 새로운 방향을 제시한다.
임 교수는 “리튬 이온 이동을 농도 구배로만 설명하던 기존 통념을 넘어, 나노 수준의 응력장이 리튬 확산에 상당한 영향을 미친다는 사실을 실험적으로 보여준 연구”라며 “이러한 미세한 응력 효과를 이해하고 제어하면 차세대 배터리의 성능 향상에 새로운 가능성을 열 수 있다”고 설명했다.
이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단(NRF) 의 지원을 받았으며, 서울대·포항가속기연구소·로렌스버클리국립연구소가 참여한 국제 공동연구로 수행되었다.
