1회 충전에 800㎞ 이상 주행, 누적 주행 30만㎞ 수명

LG에너지솔루션·KAIST FRL 연구팀의 신규 리튬메탈전지 기술 인포그래픽. 그림=LG에너지솔루션
 

LG에너지솔루션과 KAIST의 공동연구센터 FRL(Frontier Research Laboratory)이 차세대 배터리로 주목받는 리튬메탈전지(Lithium Metal Battery)의 충전 속도를 혁신적으로 단축하는 기술 개발에 성공했다.

4일 FRL 연구팀은 1회 충전에 800㎞ 이상 주행, 누적 주행거리 30만㎞ 이상의 수명을 확보하면서 충전 시간을 12분까지 단축하는 리튬메탈전지 연구 결과를 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지’에 게재했다고 밝혔다.

LG에너지솔루션과 KAIST는 2021년 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 FRL을 설립한 이후 독보적인 연구 성과를 발표하고 있다.

이번 기술은 2023년 발표해 네이처 에너지에 게재한 ‘저부식성 붕산염-피란(borate-pyran) 액체 전해액 기반 리튬메탈전지’의 후속 연구다. 방전 효율과 에너지 밀도 개선은 물론 리튬메탈전지의 난제로 꼽히던 충전 속도에서 진일보한 연구 결과를 제시했다는 점에서 의미가 깊다.

리튬메탈전지는 리튬이온 배터리의 핵심 소재 중 하나인 흑연 음극을 리튬메탈로 대체하는 배터리다. 음극재의 무게와 부피를 크게 줄일 수 있어 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

리튬메탈전지는 수명과 안정성 확보를 어렵게 만드는 ‘덴드라이트(Dendrite)’ 문제를 해결해야 하는 기술적 어려움이 존재해왔다. 덴드라이트는 전지 내 리튬의 전착 과정에서 리튬 이온의 적체 현상에 의해 형성되는 수지상의 리튬 전착 현상을 말한다. 덴드라이트 현상은 급속충전 시 더욱 심하게 발생해 배터리의 내부 단락(short-circuit)을 유발할 수 있다.

이에 FRL 공동연구팀은 급속충전 시 덴드라이트 형성의 근본 원인이 리튬메탈 표면에서의 불균일한 계면 응집반응 때문임을 규명하고, 이 문제를 해결하는 응집 억제형 신규 액체 전해액을 세계 최초로 개발했다.

이 기술은 높은 에너지 밀도를 유지하면서도 기존 리튬메탈전지 한계로 지적되던 느린 충전 속도 문제를 극복, 급속충전에서도 안정적인 구동을 가능케 한다. 이를 통해 충전 속도를 12분까지 단축할 수 있어 리튬메탈전지의 상용화를 한층 앞당길 것으로 기대된다.

LG에너지솔루션 CTO 김제영 전무는 “LG에너지솔루션과 KAIST가 FRL을 통해 이어온 지난 4년간의 협력이 유의미한 성과를 내고 있다”며 “앞으로도 산학 협력을 더욱 강화해 기술적인 난제를 해결하고, 차세대 배터리 분야에서도 최고의 성과를 창출해 나갈 것”이라고 말했다.

KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수는 “이번 연구는 계면 구조에 대한 이해를 통해 리튬메탈전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가 됐고, 리튬메탈전지가 전기차에 도입되기 위한 가장 큰 장벽을 넘어섰다”고 평가했다.

〈문화경제 김응구 기자〉