미국 에너지부의 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 연구진은 소프트 쇼트라고 알려진 작은 단락 현상을 조사하는 과정에서 예기치 않은 회로를 따라가고 있다. 이들의 인사이트는 전 세계의 배터리 연구원들에게 큰 도움이 될 것이다.
아르곤 연구팀의 연구는 리튬 금속으로 만든 음극을 가지는 고체 전지에 초점을 맞추었다. 많은 사람들이 이러한 장치를 배터리 기술의 ‘성배’로 인식하고 있다. 왜냐하면 리튬 금속은 작은 공간에 높은 전하를 저장할 수 있기 때문에 전통적인 흑연 음극을 사용한 리튬 이온 배터리보다 훨씬 긴 주행 거리를 가능하게 할 수 있기 때문이다.
하지만 리튬 금속은 전통적인 배터리의 액체 전해질과 매우 반응성이 높은 특성을 가지고 있기 때문에 운용 상의 문제가 발생할 수 있다. 전해질은 배터리의 음극과 양극 사이를 이온이라는 전하를 운반하는 물질로 움직이며 저장된 에너지를 전기로 변환한다.
아르곤에서 진행된 실험에서 배터리의 충전을 일반적으로 단일회로표징을 측정하는 것이라고 생각하는 것은 불가능하다. 수백 개의 소프트 쇼트 생성과 소멸을 놓칠 수 있기 때문이다. 이들은 우리가 모르는 사이에 배터리를 파괴하는 작은 유령과 같은 것이다. – Michael Counihan, 아르곤 연구소 조교수
정상적으로 작동하는 배터리는 음극에서 이온들이 전해질을 통해 양극까지 흐르며, 동시에 전자들은 음극에서 외부 장치(휴대폰이나 전기차 모터와 같은)로 흐르고, 다시 양극으로 돌아온다. 이 전자의 흐름이 장치를 가동시킨다. 배터리가 충전 중일 때, 이러한 흐름은 반대로 이루어진다.
리튬 금속은 이러한 과정을 방해하는 경향이 있다. 충전 중에는 리튬 필라멘트가 음극에서 자랄 수 있으며 전해질로 스며들게 된다. 이러한 성장이 충분히 커지고 양극까지 도달하면 양극과 음극 사이에 영구적인 “전선”을 만들어낸다. 최종적으로 배터리의 모든 전자는 이 전선을 통해 배터리를 벗어나지 않고 한 극에서 다른 극으로 흐르며 장치를 가동하는 역할을 할 수 없게 된다. 이러한 과정은 음극과 양극 사이의 이온 흐름도 차단시킨다.
말 그대로 소프트 쇼트란 다른 소유자를 가지지 않고 음극부터 양극까지 리튬 필라멘트가 자라날 때 발생한다. 그러나 성장량은 영구적인 짧은 구간의 단락보다 작다. 일부 전자는 배터리 안에 남아 있을 수 있고, 다른 전자는 외부 장치로 흐를 수 있다. 음극과 양극 사이의 이온 흐름은 계속해서 변할 수 있다.
아르곤 연구팀은 소프트 쇼트 중 이온과 전자의 흐름량을 예측하는 모델을 개발하기 위해 아르곤의 계산 전문가들과 협력했다. 이 모델은 리튬 필라멘트의 크기와 전해질의 특성 등 여러 가지 요소를 고려한다.
소프트 쇼트를 가진 배터리는 수 시간, 수 일 또는 몇 주 동안 운용될 수 있다. 그러나 아르곤 연구팀이 발견한 바와 같이 이 필라멘트들은 시간이 지남에 따라 점점 증가하고 결국 배터리의 고장으로 이어진다.
“소프트 쇼트는 배터리 고장으로 향하는 첫 번째 단계입니다.” – Michael Counihan
소프트 쇼트의 동적인 특징
연구진의 추가적인 연구 결과, 소프트 쇼트는 매우 동적인 특성을 가지고 있음을 밝혔다. 이들은 종종 초 또는 밀리 초 단위로 형성, 소멸 및 재형성된다.
“이는 배터리 연구원에게 중요한 교훈입니다. 보통 연구실에서 배터리 실험을 할 때, 연구원들은 1분마다 전압을 측정할 수도 있습니다. 이 기간 동안 수천 개의 소프트 쇼트 형성과 소멸을 놓쳤을 수도 있습니다. 이들은 우리가 모르는 사이에 배터리를 파괴하는 작은 유령과 같은 것입니다.” – Michael Counihan
소프트 쇼트가 소멸하는 가장 흔한 이유는 열입니다. 리튬 필라멘트를 통해 전자가 흐를 때 열이 발생하는데, 이는 가정용 전기선에서 발생할 수 있는 가열과 유사하다. 주변 전해질이 열을 잘 차단하는 경우에는 리튬 필라멘트가 빠르게 녹을 수 있다.
소프트 쇼트는 일부 전해질과 반응함으로써 사라질 수 있다. 아르곤 연구팀이 연구 중인 일부 고체 전해질은 리튬 필라멘트가 양극에 도달하기 전에 작은 필라멘트를 절단할 수 있다.
연구계를 돕기 위해
아르곤 연구팀은 소프트 쇼트에 대한 탐색적 연구 과정에서 탐지 및 분석 방법을 개발하고 증명했다. 예를 들어, 하나의 방법은 소프트 쇼트가 전류 흐름에 대한 저항에 얼마나 기여하는지를 정량화한다. 서로 다른 배터리 구성 요소가 이 저항에 기여할 수 있기 때문에 소프트 쇼트의 기여를 분리하여 연구원들이 배터리의 상태를 더 잘 평가할 수 있도록 도움을 준다.
1월 17일자 Joule에 발표된 이 연구에서는 거의 20개의 감지 및 분석 기법 목록이 포함되어 있다. 이 본 연구의 저자들은 이 같은 방법들 중 1/3은 최근 연구에서 비롯되었으며, 나머지 방법들은 연구 분야의 비공식적이고 게재되지 않은 지식으로부터 모은 것이다.
우리는 소프트 쇼트에 대한 인사이트를 세계의 연구원들에게 제공하고자 했다. 예를 들어, 이 논문에서 소개된 기술들은 리튬 필라멘트의 성장을 제한하는 고형 전해질의 설계를 나아가게 돕는다.
“연구원들이 자신들 배터리의 소프트 쇼트 동적을 이해할 때” 이와 같은 대안적인 연구 진행 방식을 채택한다면, 배터리 과학 분야에서 더 활발한 연구 활동이 이루어질 것이다.
주요 주제 및 정보를 바탕으로한 FAQ 섹션:
1. 소프트 쇼트란 무엇인가요?
– 소프트 쇼트는 배터리 내부에서 리튬 금속 필라멘트가 성장하여 전자의 흐름을 차단하는 것을 말합니다.
2. 왜 소프트 쇼트가 문제가 되나요?
– 소프트 쇼트가 발생하면 전자의 흐름이 차단되기 때문에 배터리가 작동하지 않게 됩니다.
3. 소프트 쇼트가 발생하는 이유는 무엇인가요?
– 소프트 쇼트는 리튬 금속 필라멘트가 음극에서 자라나 양극에 도달하여 전자의 흐름을 차단하기 때문에 발생합니다.
4. 소프트 쇼트를 방지하기 위해 어떤 조치를 취할 수 있나요?
– 일부 고체 전해질은 리튬 필라멘트의 성장을 제한하여 소프트 쇼트를 방지할 수 있습니다.
5. 소프트 쇼트의 동적 특성에 대해 설명해주세요.
– 소프트 쇼트는 매우 동적이며, 초 또는 밀리 초 단위로 형성, 소멸 및 재형성될 수 있습니다.
6. 소프트 쇼트를 감지하고 분석하기 위해 어떤 방법을 사용할 수 있나요?
– 소프트 쇼트의 기여도를 분리하여 정량화하고 초점을 맞출 수 있는 방법들이 있습니다.
7. 소프트 쇼트가 발생하면 배터리는 얼마 동안 작동할 수 있나요?
– 소프트 쇼트를 가진 배터리는 수 시간, 수 일 또는 몇 주 동안 운용될 수 있습니다.
8. 소프트 쇼트를 방지하기 위한 현재의 연구 방향은 무엇인가요?
– 연구원들은 리튬 금속 필라멘트의 성장을 제한하는 고체 전해질의 설계에 초점을 맞추고 있습니다.
9. 이 연구 결과가 배터리 연구에 어떤 영향을 미칠 수 있을까요?
– 이 연구 결과는 배터리 과학 분야에서 소프트 쇼트를 이해하고 방지하는 연구 활동을 더욱 발전시킬 수 있습니다.
관련 링크:
– 아르곤 국립 연구소