[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 김희탁 카이스트 생명화학공학과 교수와 LG에너지솔루션이 공동으로 진행하고 있는 프론티어 연구소(Frontier Research Laboratory, 이하 FRL) 연구팀이 ‘리튬메탈전지(Lithium metal battery)’의 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 ‘응집 억제형 신규 액체 전해액’ 원천기술을 개발했다.

리튬메탈전지는 리튬이온 전지(Lithium-ion battery)의 핵심 재료 중 하나인 흑연 음극을 리튬메탈(Lithium metal)로 대체하는 것이다. 리튬메탈은 여전히 전지의 수명과 안정성 확보를 어렵게 하는‘ 덴드라이트(Dendrite)’라는 기술적 난제를 가지고 있다. 덴드라이트는 배터리 충전 시 음극 표면에 형성되는 나뭇가지 모양의 리튬 결정체로, 배터리 성능과 안정성에 악영향을 미친다.

덴드라이트 현상은 급속 충전 시 더욱 심각하게 발생하며 전지의 내부 단락(short-circuit)을 유발한다. 이로 인해 급속 충전 조건에서 재충전할 수 있는 리튬메탈전지의 기술의 구현이 어려웠다. 

FRL 공동연구팀은 리튬메탈이 급속 충전 시 덴드라이트 형성의 근본적 원인이 리튬메탈 표면에서 불균일한 계면 응집반응 때문임을 규명하고, 이 문제를 해결할 수 있는 ‘응집 억제형 신규 액체 전해액’을 개발했다.

신규 액체 전해액은 리튬 이온(Li⁺)과의 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 리튬 계면 상의 불균일성을 최소화하며, 급속 충전 시에도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 특징이 있다.

해당 기술은 높은 에너지밀도(Energy Density)를 유지하면서도, 기존의 리튬메탈전지에서 한계로 지적되던 느린 충전 속도를 극복했다. 이를 통해 긴 주행거리를 확보하는 한편 빠른 충전에서도 안정적인 작동을 가능하게 했다.

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

김희탁 교수는 “이번 연구는 계면 구조에 대한 이해를 통해 리튬메탈전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가 됐다”며 :리튬메탈전지가 전기차에 도입되기 위한 가장 큰 장벽을 넘어섰다”라고 평가했다.