스마트폰의 다양한 기능으로 배터리도 그만큼 이른 시간에 많이 소모된다. 따라서 급속 충전 등으로 오랜 시간 사용할 수 있는 배터리 개발이 과학자들 과제지만 충전과 방전의 근본적인 원리는 여전히 난제로 남아있다.

그러나 이 문제를 미국 스탠퍼드대 SLAC(선형가속기센터)와 매사추세츠 공대(MIT), 로렌스버클리 국립연구소 연구팀이 해결해 국제 학술지 사이언스(Science)지 4일자(현지 시각)에 발표했다.

연구에는 포스텍(포항공과대) 출신인 스탠퍼드대 임종우 박사와 소홍윤·이상철 박사, 로렌스버클리 국립연구소 유영상 박사 등 한국인 과학자들이 주도적으로 참여했다.

포스텍에 따르면 이번 연구성과는 리튬이온 배터리의 안을 들여다보는 방법을 밝힌 것이다.

연구팀은 입자가속기와 특수 제작한 미니어처 리튬배터리를 이용해 1㎛(머리카락의 100분의 1)의 배터리 입자 내부로 리튬이온이 들어가고 나가는 모습을 실시간으로 담았다.

일반적으로 리튬이온은 배터리 입자 표면에서 매우 불규칙적으로 들어가고 나간다. 어떤 부위는 리튬이온을 많이 받아들이고 또 다른 부분은 적게 받아들이는 데 이런 불규칙성이 커질수록 배터리 입자에 무리가 가고 금이 생겨 배터리 수명이 줄어든다.

연구팀은 불규칙성이 방전보다 충전 과정 중에 훨씬 더 커지고 반대로 충·방전을 빨리하면 불규칙성 억제로 배터리 입자에 무리가 덜 가해진다는 사실을 확인했다.

더구나 리튬배터리 충전과 방전 속도를 결정짓는 리튬이온과 전극 물질 간의 속도 공식도 밝혀냈다. 이 공식을 이용하면 리튬배터리 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 내다본다.

임종우 박사는 "이번 연구로 배터리 속도와 수명 증가에 큰 진전이 있을 것으로 기대한다"며 "앞으로 연료전지나 촉매와 같은 전기화학 광범위한 분야에도 응용이 가능할 것이다"고 말했다.