▲ EC-AFM 측정 과정의 개요. 3회의 리튬 도금·박리 사이클 동안, 도금과 박리 단계마다 각각 AFM 측정을 수행한 실험 절차를 나타냄(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

차세대 전기차 시대의 핵심 난제로 꼽혀온 리튬 금속 배터리 열화의 ‘출발점’이 처음으로 포착됐다. KAIST 연구진이 배터리 성능이 무너지는 순간을 나노 수준에서 직접 관찰하며, 주행거리와 수명을 동시에 개선할 수 있는 설계 단서를 제시했다.

KAIST 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀은 차세대 배터리 핵심 소재인 리튬 금속 음극의 열화 메커니즘을 규명했다. 리튬 금속은 기존 배터리 대비 높은 에너지 밀도로 ‘꿈의 소재’로 불리지만, 반복 충·방전 과정에서 성능이 급격히 저하되는 문제가 상용화의 가장 큰 장애물이었다.

연구팀은 실시간 전기화학 원자힘현미경(in situ EC-AFM)을 활용해 리튬이 쌓이고 사라지는 전 과정을 직접 추적했다. 그 결과, 리튬 반응이 표면 전체에서 균일하게 일어나는 것이 아니라 특정 영역에서 집중적으로 발생한다는 사실을 확인했다. 특히 표면이 거칠고 구멍이 많은 다공성 영역에서는 리튬이 떨어져 나가며 전기적으로 단절된 ‘죽은 리튬(dead lithium)’이 형성되고, 이것이 배터리 성능 저하의 핵심 원인으로 작용하는 것으로 나타났다.

이번 연구의 핵심은 ‘언제 망가지는가’가 아니라 ‘어디서, 어떻게 망가지기 시작하는가’를 규명했다는 점이다. 특히 리튬이 처음 형성되는 초기 표면 구조가 장기 수명을 좌우하는 결정적 변수임을 입증하면서, 향후 배터리 설계 방향을 근본적으로 바꿀 수 있는 근거를 제시했다.

이는 단순한 소재 분석을 넘어, 배터리 수명과 안전성을 동시에 개선할 수 있는 실질적 해법으로 이어질 가능성이 크다. 리튬 형성을 균일하게 제어할 경우 ‘죽은 리튬’ 생성을 억제할 수 있어, 전기차 주행거리 증가와 배터리 수명 연장을 동시에 달성할 수 있기 때문이다.

홍승범 교수는 “배터리 성능 저하의 원인을 나노 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 크다”며 “보다 오래가고 안전한 차세대 배터리 개발의 핵심 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 신소재공학과 김성현 박사과정 연구원이 제1저자로 참여했으며, 국제 학술지 ACS Energy Letters 2026년 2월 24일자에 게재됐으며, 표지논문으로 선정됐다.

논문명은 Spatially Selective Lithium Plating and Stripping in Lithium Metal Anodes이다.