[더테크 이승수 기자] KAIST가 차세대 리튬 금속 배터리의 성능 저하가 시작되는 순간을 나노 수준에서 처음으로 직접 관찰하는 데 성공했다. 전기차 주행거리 확대와 장수명 배터리 개발의 핵심 난제로 꼽혀온 ‘리튬 금속 음극 열화 원인’을 규명하며 차세대 배터리 상용화 가능성을 높였다는 평가다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범 연구팀이 리튬 금속 음극(Lithium Metal Anode)의 열화 메커니즘을 실시간으로 분석해 배터리 성능 저하의 근본 원인을 밝혀냈다고 10일 밝혔다.

리튬 금속은 기존 흑연 음극 대비 에너지 밀도가 높아 ‘꿈의 배터리 소재’로 불린다. 그러나 충·방전 과정에서 리튬이 불규칙하게 증착되거나 떨어져 나가며 전기적으로 단절된 ‘죽은 리튬(dead lithium)’이 형성되는 문제가 상용화의 가장 큰 장애물로 지목돼 왔다. 이 현상은 배터리 수명 저하뿐 아니라 안전성 문제까지 유발할 수 있다.

연구팀은 실시간 전기화학 원자힘현미경(in situ EC-AFM)을 활용해 리튬이 표면에 쌓이는 도금(plating) 과정과 제거되는 탈리(stripping) 과정을 직접 추적했다. 이를 통해 리튬 반응이 표면 전체에서 균일하게 발생하는 것이 아니라 특정 영역에 집중된다는 사실을 확인했다.

특히 표면이 거칠고 기공이 많은 다공성 영역에서는 리튬이 제거되는 과정에서 빈 공간이 쉽게 형성됐고, 이로 인해 전기적으로 고립된 ‘죽은 리튬’이 생성되는 것으로 나타났다. 연구진은 이러한 구조적 변화가 배터리 성능 저하의 직접적인 원인이라고 설명했다.

이번 연구는 리튬 금속 배터리가 실제로 어디에서 어떻게 손상되는지를 실험적으로 규명했다는 점에서 의미가 크다. 동시에 리튬이 처음 형성되는 초기 표면 형상(initial morphology)이 배터리 장기 수명을 결정짓는 핵심 변수라는 점도 입증했다.

연구 결과는 향후 리튬이 형성되는 표면 구조를 균일하게 제어하는 방향으로 배터리 설계를 고도화할 수 있음을 시사한다. 업계에서는 이번 성과가 전기차 주행거리 향상과 스마트폰·에너지저장장치(ESS)의 장수명 배터리 개발에 활용될 수 있을 것으로 보고 있다.

홍승범 교수는 “배터리 성능 저하 원인을 나노 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 크다”며 “보다 오래가고 안전한 차세대 리튬 금속 배터리 개발의 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 신소재공학과 김성현 박사과정 연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 국제 학술지 ACS Energy Letters 2026년 2월 24일자에 게재됐고 표지논문으로 선정됐다. 연구는 LG에너지솔루션과 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 미래개척융합과학기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.