중국 푸단대학 연구팀이 노후화된 리튬이온 배터리에 새 생명을 불어넣는 혁신적인 기술을 개발했다. 화학자, 분자공학자, 재료과학자로 구성된 이 연구팀은 특수 물질을 노후 배터리에 주입함으로써 배터리의 평균 충전 횟수를 기존 1,500회에서 무려 12,000회로 늘리는 데 성공했다.
리튬이온 배터리는 시간이 지남에 따라 성능이 저하되는 문제가 있다. 이는 더 많은 리튬 이온이 침전되어 과학자들이 “데드 리튬(dead lithium)”이라 부르는 형태로 쌓이기 때문이다. 이러한 침전물은 전해질 내 리튬 이온의 농도를 감소시켜 배터리 용량을 점진적으로 줄인다. 용량이 원래 값의 80% 이하로 떨어지면 해당 배터리는 차량용으로 더 이상 사용할 수 없게 된다.
연구팀은 광범위한 실험을 통해 배터리 성능 저하가 마치 핵심 구성 요소가 악화되는 동안 시스템의 나머지 부분은 기능적으로 유지되는 질병의 진행과 유사하다는 사실을 발견했다.
AI 활용한 특수 물질 개발
이에 과학자들은 손실된 리튬 이온을 복원하여 배터리의 수명과 성능을 효과적으로 연장하도록 설계된 특수 물질을 개발했다. 적합한 후보를 찾기 위해 연구팀은 디지털화된 분자 특성을 학습한 AI 기반 응용 프로그램을 활용했다.
연구 과정에서 그들은 LiSO₂CF₃라는 분자를 발견했는데, 이 물질은 모든 호환성 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 비교적 저렴하게 생산할 수 있으며 거의 모든 상용 배터리에 적합한 것으로 나타났다.
간단한 재생 과정, 놀라운 결과
재생 과정은 간단하다. 이 분자의 배치를 배터리의 활성 리튬 이온이 위치한 영역에 주입한다. 이 과정에서 소량의 가스가 방출된 후 배터리를 다시 충전할 수 있다.
테스트 결과, 평균 충전 사이클 수가 1,500회에서 12,000회로 증가하여 배터리 수명이 극적으로 향상되었다. 이 진전은 배터리 성능을 개선할 뿐만 아니라 폐기해야 하는 배터리 수가 줄어들어 환경 오염 감소에도 도움이 된다.
현실적 제약과 미래 전망
하지만 이 과정에는 중요한 제약이 있다. 아직 모든 리튬이온 배터리에 사용할 수는 없다. 이 방법이 작동하려면 화학적 부산물이 빠져나갈 수 있도록 배터리가 처음부터 그에 맞게 설계되어야 한다.
그럼에도 불구하고 이 접근법은 유망해 보인다. 앞으로 배터리가 지금까지보다 훨씬 늦게 폐기되도록 할 수 있어, 전기차 보급과 배터리 산업에 큰 변화를 가져올 것으로 기대된다.
연구팀은 “이 기술이 완전히 상용화되면 전기차 배터리 교체 비용이 크게 줄어들 것”이라며 “궁극적으로는 전기차 가격 인하로 이어져 친환경 모빌리티의 대중화를 앞당길 수 있을 것”이라고 전망했다.
