LG에너지솔루션과 KAIST 연구팀이 차세대 배터리로 주목받는 리튬메탈전지 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술 개발에 성공했다.
공동 연구팀은 7일 리튬이온전지 대비 주행거리를 약 50% 늘리고 충·방전 효율과 수명을 대폭 개선할 수 있는 원천 기술을 개발했다고 밝혔다.
리튬메탈전지는 기존 흑연계 음극재를 리튬메탈로 대체하면서 리튬이온전지보다 음극재 무게와 부피를 크게 줄일 수 있는 것이 특징이다. 이를 통해 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있어 대표적 차세대 배터리 중 하나로 꼽힌다.
하지만 음극 표면에 발생하는 덴드라이트(리튬이 나뭇가지 형태로 자라는 현상)와 액체 전해액에 의한 지속적인 부식이 배터리 수명과 안전성을 위협하는 한계로 지적되어 왔다.
공동 연구팀은 문제를 해결하기 위해 붕산염-피란(borate-pyran) 기반 액체 전해액을 세계 최초로 적용했다. 이 전해액은 충·방전시 리튬메탈 음극 표면에 형성되는 수 나노미터 두께 고체전해질 층을 치밀한 구조로 재구성해 부식 반응을 차단하는 역할을 한다.
이를 통해 리튬메탈전지의 충·방전 효율을 향상시키는 것은 물론 1회 충전에 900㎞ 주행이 가능할 만큼 에너지밀도를 높일 수 있다는 설명이다. 400회 이상 재충전이 가능할 만큼 수명 안정성 확보도 가능하다.
이번 연구 논문은 세계적인 과학학술지 '네이처 에너지'에 게재되며 성과를 인정받았다. LG에너지솔루션과 KAIST가 2021년 설립한 공동연구센터 FRL(Frontier Research Laboratory)이 2년여 연구 끝에 거둔 성과다.
FRL은 LG에너지솔루션이 국내외 유수 대학 및 기관들과 함께 차세대 배터리 관련 연구개발(R&D) 과제를 수행하는 공동 연구센터다. LG에너지솔루션은 KAIST 외에도 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD), 독일 뮌스턴 대학 및 헬름홀츠 연구소 등과 FRL을 운영하고 있다.
정근창 LG에너지솔루션 미래기술센터장 부사장은 “액체 전해액을 사용하는 리튬메탈전지의 대표적 난제를 해결해 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있게 됐다”며 “FRL과의 적극적인 협력을 통해 차세대 배터리 상용화에 앞장서겠다”고 말했다.
김희탁 KAIST 생명화학공학과 교수는 “이번 연구는 지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액을 기반으로 하는 리튬메탈전지 구현 가능성을 가시화한 연구”라고 설명했다.
