KAIST-LG에너지솔루션, 리튬메탈전지 800km 주행·12분 초고속 충전 실현

리튬메탈전지 덴드라이트 문제 해결로 전기차 배터리 기술 혁신

KAIST와 LG에너지솔루션 연구팀이 리튬메탈전지의 난제였던 덴드라이트 문제를 해결하며 전기차 배터리 기술에 새 시대를 열었다.

기존 리튬이온전지가 최대 600km 주행에 머물던 것에 비해 새로 개발된 리튬메탈전지는 1회 충전으로 800km를 주행할 수 있으며, 누적 30만 km 이상의 수명과 12분 초고속 충전이 가능하다.

KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수와 LG에너지솔루션이 공동으로 진행하는 프론티어 연구소(FRL) 연구팀은 리튬메탈전지의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 ‘응집 억제형 신규 액체 전해액’ 원천기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

리튬메탈전지는 기존 리튬이온전지의 핵심 재료인 흑연 음극을 리튬메탈로 대체하는 방식으로, 리튬메탈은 전지의 수명과 안정성에 큰 도전 과제가 되는 '덴드라이트' 문제를 안고 있다. 덴드라이트는 배터리 충전 시 음극 표면에 나뭇가지 모양의 리튬 결정체가 형성돼 배터리 성능과 안정성에 악영향을 미친다. 특히, 급속 충전 시 덴드라이트 현상이 심각하게 발생해 전지의 내부 단락을 유발할 수 있다.

FRL 공동연구팀은 덴드라이트가 급속 충전 시 리튬메탈 표면에서 불균일한 계면 응집반응으로 발생한다는 사실을 규명하고, 이를 해결할 수 있는 ‘응집 억제형 신규 액체 전해액’을 개발했다. 이 전해액은 리튬 이온과의 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 리튬 계면 상의 불균일성을 최소화하고, 급속 충전 시에도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 특징이 있다.

이번 기술은 높은 에너지밀도를 유지하면서도 기존 리튬메탈전지에서 한계로 지적되던 느린 충전 속도를 극복해 긴 주행거리와 빠른 충전 속도에서도 안정적인 작동을 가능하게 했다.

김제영 LG에너지솔루션 CTO 전무는 “LG에너지솔루션과 KAIST가 FRL을 통해 이어온 지난 4년간의 협력이 유의미한 성과를 창출하고 있다”며 “앞으로도 산학 협력을 더욱 강화해 차세대 배터리 분야에서도 최고의 성과를 창출해 나가겠다”고 말했다.

김희탁 KAIST 교수는 “이번 연구는 리튬메탈전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가 됐다”며 “리튬메탈전지가 전기차에 도입되기 위한 가장 큰 장벽을 넘었다”고 평가했다.

이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 권혁진 박사가 제1 저자로 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 9월 3일 자로 게재됐다. 이 연구는 KAIST와 LG에너지솔루션이 차세대 리튬메탈전지 기술 개발을 위해 2021년 설립한 프론티어 연구소(FRL)에서 이뤄졌다.

[전국매일신문] 정은모기자

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