[서울와이어=이민섭 기자] LG에너지솔루션과 카이스트와 차세대 리튬금속전지 개발을 위해 공동 설립한 프론티어 연구소(FRL)의 연구팀이 리튬메탈전지(Lithium Metal Battery) 충전 속도 단축 기술을 개발했다.
FRL 연구팀은 4일 1회 충전에 ▲800㎞ 이상 주행 ▲누적 주행거리 30만㎞ 이상의 수명 확보 ▲충전 시간을 12분까지 단축하는 것이 가능한 리튬메탈전지 연구 결과를 국제 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 게재했다고 4일 밝혔다.
리튬메탈전지는 리튬이온 배터리(Lithium-ion battery)의 핵심 소재 중 하나인 흑연 음극을 리튬메탈(Lithium metal)로 대체하는 배터리다. 음극재의 무게와 부피를 줄여 에너지 밀도와 주행거리를 향상시킬 수 있다.
하지만 리튬메탈전지는 수명과 안정성 확보를 어렵게 만드는 '덴드라이트(Dendrite)' 문제가 발생한다. 덴드라이트는 전지 내 리튬의 전착 과정에서 리튬 이온의 적체 현상에 의해 형성되는 수지상의 리튬 전착 현상이다. 이 현상은 급속 충전 시 더 심각하게 발생해 배터리의 내부 단락(short-circuit)을 유발할 수 있어, 급속 충전 조건에서 재충전 가능한 리튬메탈전지의 구현을 어렵게 했다.
FRL 공동연구팀은 급속 충전 시 덴드라이트 형성의 근본적 원인이 리튬메탈 표면에서의 불균일한 계면 응집반응 때문임을 규명했다. 이 문제를 해결할 수 있는 응집 억제형 신규 액체 전해액을 개발했다.
신규 액체 전해액은 리튬 이온(Li⁺)과의 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 리튬 계면 상의 불균일성을 최소화하며, 급속 충전 시에도 덴드라이트 성장을 억제한다.
이 기술은 높은 에너지밀도(Energy Density)를 유지하면서도 기존 리튬메탈전지 한계로 지적되던 '느린 충전 속도' 문제를 극복했다. 급속 충전에서도 안정적인 구동을 가능하게 해 충전 속도를 12분까지 단축할 수 있다.
김희탁 카이스트 생명화학공학과 교수는 “이번 연구는 계면 구조에 대한 이해를 통해 리튬메탈전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가 되었고 리튬메탈전지가 전기차에 도입되기 위한 가장 큰 장벽을 넘어섰다”라고 평가했다.
김제영 LG에너지솔루션 전무는 "협력이 유의미한 성과를 창출하고 있다"며 "산학 협력을 더 강화해 기술적인 난제를 해결하고 차세대 배터리 분야에서도 성과를 창출하겠다"고 말했다.