리튬-텔루륨 전지의 수명 저하 원인과 맞춤형 충전 제어

▣ 리튬-텔루륨 전지와 연구 배경

▶ 리튬-텔루륨 전지(Lithium–Tellurium battery, Li–Te)는 텔루륨(Te)을 양극 활물질로 쓰고 리튬의 이동을 이용해 충·방전하는 전환형 전지다. 흑연처럼 결정 격자 사이에 리튬을 삽입·탈리하는 방식과 달리, 활물질이 충·방전 중 서로 다른 화합물로 바뀐다. 텔루륨은 황보다 전기전도도가 높아 전극 반응을 빠르게 하는 데 유리하지만, 리튬과 반응하며 생기는 용해성 중간물질이 전해액 속을 이동하는 셔틀(shuttle) 현상과 활물질 손실이 성능 과제로 남아 있다.

▶ 2026년 8월 26일 Nature Communications에 실린 고려대학교·미국 오하이오주립대학교 공동연구는 작동 중인 전지 내부를 방사광 X선으로 관찰해 열화 과정의 단서를 제시했다. 10월 5일 오하이오주립대 공대가 소개한 결과에 따르면, 연구팀은 충전 전류를 조절하는 실험으로 30회 충·방전 뒤 방전용량을 일반 일정 전류 충전 조건보다 약 9배 높게 유지했다. 이는 상용 배터리에서 수명 개선을 입증했다는 뜻이 아니라, 실험실 전지에서 확인한 프로토콜 효과다.

 

▣ 반응 원리와 관찰된 열화 경로

▶ 오페란도(operando) 분석은 전지가 실제로 작동하는 동안 내부 상(phase)과 화학 변화를 추적하는 방법이다. 연구팀은 오페란도 X선 회절(XRD)과 투과 X선 현미경(TXM) 등으로 결정의 생성·성장을 관찰하고, 계산·시뮬레이션으로 반응 경로를 해석했다.

- 리튬-황·리튬-셀레늄 전지가 비교적 단순한 고체-액체-고체 경로를 보이는 것과 달리, Li–Te 전지에서는 고체 텔루륨(Te) → 용해성 리튬 폴리텔루라이드(Li₂Teₓ) → 고체 중간상 Li₂Te₆ → 용해성 종 → 고체 Li₂Te로 이어지는 다섯 단계 경로가 확인됐다.

- 방전 때 생긴 Li₂Te₆ 결정은 상대적으로 작아 후속 반응에서 사라지지만, 충전 때는 더 큰 결정으로 성장해 일부가 텔루륨으로 완전히 전환되지 않고 남았다. 잔류 결정은 다음 사이클에서 새로운 결정이 자라는 핵(seed)처럼 작용해, 활물질 이용률과 방전용량을 떨어뜨릴 수 있다.

 

▣ 기술적 특징과 기존 개선책의 차이

▶ 기존 Li–Te 연구는 다공성 탄소 등으로 전극 구조를 설계해 용해성 종을 가두거나 셔틀을 억제하는 접근을 많이 다뤘다. 이번 연구는 소재를 새로 바꾸는 대신 실제 반응 경로와 결정 크기의 비대칭을 관찰하고, 충전 전류 프로파일을 제어하는 운전 측면의 해결책을 시험했다.

- 연구진의 밀도범함수이론(DFT) 계산과 kinetic Monte Carlo 시뮬레이션은 충전 쪽에서 Li₂Te₆의 전환 장벽이 방전 때보다 높아 잔류하기 쉬운 경향을 뒷받침했다. 특히 빠른 충전은 중간상의 전환을 지연시킬 수 있어, 마지막 충전 구간에서 충분한 반응 시간을 주는 것이 핵심이다.

- 논문 실험에서는 1C로 충전하다가 전압 1.9V에 도달한 뒤 0.1C로 낮춰 2.7V까지 충전하는 단계를 비교했다. 30회 뒤 이 조건의 방전용량은 191.1mAh/g, 일정한 1C 충전 조건은 20.9mAh/g이었다. 약 9배 차이는 해당 전지 구성·시험 조건에 한정해 해석해야 한다.

 

▣ 적용 가능성과 설계·안전상 유의점

▶ 충전 전류 제어는 배터리 관리 시스템(BMS)의 운전 알고리즘과 연결할 수 있어 전극 소재 변경 없이 성능을 조정할 가능성을 보여준다. 다만 이는 상용 제품에 바로 적용된 성능이나 자동차 팩에서 입증된 수명이 아니다. 연구의 셀은 실험실용 코인셀 조건이며, 실제 대형 셀에서는 전극 두께·활물질 로딩, 열 분포, 전해액 양, 압력, 셀 간 편차에 따라 반응이 달라질 수 있다.

- 설계 단계에서는 충전 말단의 전류·전압·온도 제어와 반복 사이클에서의 잔류 중간상, 셔틀, 자가방전을 함께 평가해야 한다. 느린 충전 구간은 충전 시간을 늘리므로 에너지 효율과 사용성도 따져야 한다.

- 텔루륨 자원·비용, 전해액 안정성, 리튬 금속 음극의 안전성, 대면적 제조와 재현성 검증이 남아 있다. 따라서 '전류만 바꾸면 상용화'로 일반화하지 말고, 재료와 셀 형식별 검증이 필요하다.

 

▣ 정리

▶ 이번 연구의 핵심은 리튬-텔루륨 전지에서 Li₂Te₆ 고체 중간상이 충전 때 크게 성장해 잔류하고, 이것이 다음 사이클의 결정 성장 씨앗이 되어 열화를 촉진할 수 있다는 점이다. 작동 중 관찰과 계산을 바탕으로 충전 말단의 전류를 낮추는 전략이 실험실 셀의 30회 방전용량을 크게 높였다. 새 전극 소재뿐 아니라 반응 경로에 맞춘 운전 제어도 차세대 전지의 성능을 바꾸는 설계 변수임을 보여준다.

 

▣ 참고자료

- “Direct visualization of complex mechanisms in lithium tellurium batteries”, Nature Communications, 2026-08-26. https://www.nature.com/articles/s41467-026-76636-8

- “고려대 유승호 교수팀 리튬텔루륨 배터리 수명 저하 원인 규명”, 고려대학교 산학협력 기술사업화 플랫폼, 2026-09-28. https://tlo.korea.ac.kr/news/1411

- “New approach could lead to a better battery”, The Ohio State University College of Engineering, 2026-10-05. https://engineering.osu.edu/news/2026/10/new-approach-could-lead-better-battery

(자료 확인일: 2026-10-06)