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- 압력이 이보다 낮으면 음극에 균열이 발생, 압력이 높으면 음극에 금속 리튬이 침착돼.
- 이 기술은 향후 전기 자동차의 수명을 크게 연장, 중고차로서의 가치를 높여 친환경적
- 채굴 활동에 대한 압력을 어느 정도 줄일 수 있다면 그것 또한 상당한 이점

최적의 압력으로 리튬 이온 배터리 수명 연장
   "배터리 수명 연장으로 환경 영향 감소"

배터리 연구는 주로 소재 구성 최적화에 집중되어 왔다. 그러나 최근 일정한 압력을 가하면 리튬 이온 배터리의 수명을 두 배로 늘릴 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 기술은 향후 전기 자동차의 수명을 크게 연장하여 중고차로서의 가치를 높이고 환경에 미치는 영향을 줄이는 데 기여할 수 있다. 

▲ 지속적인 압력은 배터리 수명을 연장한다. © kasto / depositphotos.com

영국 케임브리지 과학자들은 오랫동안 전기 자동차용 배터리의 용량과 수명을 최적화하기 위해 노력해 왔다. 지금까지 배터리 연구는 주로 화학적 조성 및 생산 공정 개선, 그리고 새로운 소재 개발에 초점을 맞춰 왔다. 하지만 배터리 구성 변경은 일반적으로 수명을 5~10% 정도만 향상시키는 데 그쳤다. 케임브리지 대학교 연구진은 최적화된 일정한 압력을 가하면 배터리 수명을 연장할 수 있다는 연구 결과를 발표했다.

마이클 드 볼더(Michael De Volder) 교수가 이끄는 연구팀은 리튬 이온 배터리에 가해지는 기계적 압력의 영향을 조사했다. 실험 결과, 최적의 압력을 일정하게 유지하면 이러한 유형의 배터리 수명이 연장되는 것으로 나타났다. 또한 용량을 두 배로 늘릴 수 있어 배터리 연구에 획기적인 진전을 가져왔다.

▲ 압력에 따른 리튬의 불균일성과 사이클링된 흑연 양극의 구조적 변화. a–i, 사후 분석 결과(사진(a–c), 광학 현미경 이미지(d–f) 포함) (출처:Published: 29 June 2026 / The interplay between stack pressure, mechanical expansion and degradation pathways in lithium-ion batteries / nature energy)

▲ 그림은 268회 사이클 후 LP, OP 및 HP 조건에서 사이클링된 흑연 양극의 전극 형태 및 리튬 농도 분포를 보여주는 사후 단면 SEM 및 ToF-SIMS 이미지다. 색상 스케일은 상대적인 리튬 농도를 나타낸다.

적절한 압력을 적용한 리튬 이온 배터리

리튬 이온 배터리는 양극, 음극, 전해질로 구성된다. 충전 및 방전 주기 동안 리튬 이온은 양극에서 음극으로, 그리고 다시 양극으로 이동한다. 이 과정에서 배터리는 마치 호흡처럼 물리적으로 팽창하고 수축한다.

"일반적으로 배터리는 이러한 스트레스와 방전 주기를 견디지 ​​못한다. 리튬 이온 배터리 성능 향상을 위한 연구는 주로 화학자와 물리학자들이 수행하지만, 기계 공학자인 나는 역학적 원리도 연구하고 싶었다"고 마이클 드 볼더는 말했다.

드 볼더와 그의 연구팀은 일정한 압력을 유지하면 배터리 수명을 최적화할 수 있다는 가설을 세웠다. 그래서 그들은 전해질이나 전극은 변경하지 않은 표준 배터리를 작은 공기 쿠션을 사용하여 압축하는 장치를 개발했다. 자동 조절 클램프와 유사하게 작동하는 공압식 "벨로우즈"는 배터리 셀을 일정한 압력으로 유지하고, 센서는 충전 및 방전 중 발생하는 미세한 부피 변화를 동시에 감지한다.

▲ a. 맞춤 제작된 팽창계 및 스택 압력 제어 도구의 구성 요소를 분해하여 나타낸 그림.

"저희는 시중에서 판매되는 배터리를 구입해 다양한 압력 조건에서 수명을 테스트했다. 전해액이나 전극의 구성은 전혀 변경할 필요가 없었다"라고 마이클 드 볼더는 말했다.

최적의 압력 범위

실험 결과에 따르면, 테스트에 사용된 배터리 유형의 수명을 최적화하려면 약 12.5bar(일반적인 압력보다 약 4배 높음)의 "최적의 압력 범위" 내에 있어야 한다. 압력이 이보다 낮으면 음극에 균열이 발생할 수 있고, 압력이 높으면 음극에 금속 리튬이 침착될 수 있다.

"충전 및 방전 주기 동안 비교적 일정한 압력을 유지하는 것이 배터리의 전체 수명을 크게 향상시킨다는 사실을 발견했다. 과도한 압력은 양극을 손상시키고, 압력이 부족하면 음극이 열화된다. 저희 실험을 통해 배터리의 최적 압력 범위를 밝혀냈다"고 마이클 드 볼더는 말했다.

▲ Gr ‖ NMC811 파우치 세포에서 스택 압력에 따른 분해 메커니즘. a. LP 조건에서는 음극 균열 및 전극 다공성 증가로 인해 전이 금속 용해, 전해질 분해 및 불안정한 SEI 성장이 촉진되고, 리튬화된 흑연의 분리로 인해 음극 두께가 증가한다. b. OP 조건에서는 입자 간 접촉 및 다공성이 균형을 이루어 안정적인 SEI 형성이 가능하고 기계적 열화가 최소화된다. c. HP 조건에서는 다공성 감소, 전해질 접근성 제한 및 분리막 기공 막힘으로 인해 이온 이동이 저해되어 리튬 도금으로 인한 두께 증가와 함께 열화가 가속화된다.

연구진은 이 연구가 아직 초기 단계이며 현재까지는 실험실 규모에서만 진행되었다고 설명했다. 또한 이번 연구 결과는 전기 자동차용 리튬 이온 배터리의 수명을 크게 연장하여 중고차 시장의 매력을 높이고 배터리 폐기물을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
"제품의 수명이 길수록 재료를 재활용해야 하는 빈도가 줄어든다. 현재 배터리 재활용은 매우 미흡한 실정이다"고 마이클 드 볼더는 덧붙였다.

또한, 전기 자동차용 배터리의 수명이 길어지면 새로운 원자재에 대한 수요도 크게 줄어들 것입니다. 현재 원자재는 종종 열악한 작업 환경과 환경 조건에서 채굴된다. 높은 산업적 잠재력을 고려하여 캠브리지 엔터프라이즈는 이미 이 기술에 대한 특허를 출원했다.

“우리는 더 깨끗한 전기 자동차를 위한 해결책을 마련했지만, 동시에 세계 다른 지역에서 새로운 환경 재앙을 초래하지 않도록 해야 한다. 이러한 채굴 활동에 대한 압력을 어느 정도 줄일 수 있다면 그것 또한 상당한 이점이 될 것이다.” 라고 마이클은 말했다.

출처:Nature Energy, doi: 10.1038/s41560-026-02087-6

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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