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전기 자동차의 가장 실망스러운 한계는 배터리를 완전히 충전하는 데 걸리는 시간임. 예를 들어 Tesla의 경우 가장 강력한 충전소를 사용하여 80% 용량까지 충전하는 데 약 40분이 걸림.

과학자들은 오랫동안 물리학 법칙이 배터리를 안전하게 충전할 수 있는 속도를 제한한다고 생각했지만, 유타 대학의 연구진은 짧은 시간 내에 충전할 수 있는 배터리를 만드는 문을 열었음.

리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 가벼운 무게 및 긴 수명으로 인해 휴대용 전자 제품 및 모든 전기 자동차에서 유망함. 또한 노트북, 휴대용 전기 기기 및 태양 에너지 저장에도 사용됨.

그러나 리튬 이온 배터리의 재충전 속도는 리튬 이온이 흑연 입자에 너무 빨리 들어갈 때 발생하는 부반응인 "리튬 도금"이라는 현상으로 인해 방해를 받음.

리튬 도금은 리튬 이온이 너무 빨리 이동하고 배터리의 흑연 입자가 이를 포착하지 못할 때 발생한다고 연구진은 설명함. 충전 중에는 위험할 수 있으며 배터리에 불이 붙거나 폭발할 수 있으므로 배터리 재충전 속도가 제한됨. 또한 배터리를 심각하게 저하시켜 수명을 제한할 수 있음.

연구진은 배터리 충전 중에 흑연 입자의 리튬 도금 현상을 제어하고 배터리 작동시 리튬 도금을 예측할 수 있는 중요한 물리학을 보여줌. 충전하는 동안 음극에 일어나는 일을 시각화할 수 있는 실험을 설계하고, 음극의 물질인 흑연 입자와 배터리 충전 중에 일어나는 일을 실시간으로 볼 수 있음.

이러한 이해를 바탕으로 새로운 기술이 정상보다 5배 더 빠르게 또는 10분 만에 완전히 충전될 수 있는 자동차 배터리를 만들 수 있다고 연구진은 믿고 있음. 가장 빠른 충전기를 사용하면 일반적으로 30분 이상 걸리는 스마트 폰도 10분 만에 완전히 충전될 수 있다고 설명함.

본 연구 성과는 Joule ("Interplay of Lithium Intercalation and Plating on a Single Graphite Particle")에 게재됨.