2023.12.07 08:28 AM

LG엔솔·KAIST, 리튬메탈 난제 해결... 성능 향상 원천기술 공동개발

By 이재경

충방전 효율 높이고 1회 충전시 주행거리 900㎞까지 늘려

LG에너지솔루션과 한국과학기술원(KAIST) 공동 연구팀이 차세대 배터리로 주목받는 리튬메탈전지 성능을 획기적으로 높이는 기술 개발에 성공했다.

공동 연구팀은 기존 리튬이온전지 대비 주행거리를 약 50% 늘리고, 충·방전 효율과 수명도 대폭 개선하는 리튬메탈전지 원천기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

리튬메탈전지는 흑연계 음극재를 리튬메탈로 대체해 기존 리튬이온전지보다 음극재 무게와 부피를 크게 줄여 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있는 것이 장점이다.

이 때문에 대표적 차세대 배터리의 하나로 조명받고 있지만, 음극 표면에 발생하는 덴드라이트(dendrite)와 액체 전해액에 의한 지속적 부식이 배터리 수명과 안전성을 위협하는 요인으로 지목돼 왔다.

덴드라이트는 배터리 사용 과정에서 리튬이 음극 표면에 적체되며 나뭇가지 형태를 띤 결정체를 형성하는 현상을 말한다. 이는 리튬이온 이동을 방해해 전지 효율과 수명을떨어뜨리고 화재 위험을 높인다.

공동 연구팀은 이런 문제를 해결하고자 '붕산염-피란 기반 액체 전해액'을 세계 최초로 적용했다.

이 전해액은 충·방전 때 리튬메탈 음극 표면에 형성되는 수 나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1ｍ) 두께의 고체 전해질층을 재구성해 전해액과 리튬메탈 음극 간 부식 반응을 차단하는 역할을 한다.

이를 통해 리튬메탈전지의 충·방전 효율을 높임과 동시에 1회 충전 시 900㎞에 달하는 주행거리를 확보할 만큼 에너지 밀도를 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다. 고성능 전기차에 적용되는 기존 리튬이온전지의 주행가능 거리는 약 600㎞다.

아울러 400회 이상 재충전이 가능한 수준의 수명 안전성을 구현하며, 전고체 전지와 달리 구동할 때 높은 온도와 압력이 필요하지 않아 전지 시스템 설계를 간소화할 수 있어 주행거리 향상에 도움이 된다.

LG에너지솔루션과 KAIST는 차세대 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 2021년 공동연구센터 FRL(Frontier Research Laboratory)을 설립하고 2년여간 연구를 거쳐 이번 기술 개발에 성공했다. LG에너지솔루션은 KAIST 외에도 국내외 여러 대학·연구기관과 FRL을 운영하고 있다.

LG에너지솔루션 미래기술센터장 정근창 부사장은 "액체 전해액을 사용하는 리튬메탈전지의 대표적 난제를 해결해 상용화에 한 걸음 더 다가설 수 있게 됐다는 데 의의가 있다"며 "앞으로도 FRL과의 적극적인 협력을 통해 차별화된 기술력을 바탕으로 차세대 배터리의 상용화에 앞장서 나가겠다"고 말했다.

KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수는 "이번 연구는 지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액 기반 리튬메탈전지의 구현 가능성을 가시화한 연구"라고 했다.

연구 결과를 담은 논문은 과학 학술지 '네이처 에너지'에 실렸다.

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