신규 액체 전해질로 급속충전 환경서도 고에너지밀도 구현
충전시간 12분으로 단축∙1회 충전에 800km 이상 주행
에너지분야 최고 권위 학술지 ‘네이처 에너지’ 게재
[포인트경제] LG에너지솔루션과 KAIST가 공동으로 운영하는 FRL(Frontier Research Laboratory) 연구팀이 리튬메탈전지의 충전 속도를 획기적으로 단축하는 기술 개발에 성공했다고 4일 밝혔다. 연구팀은 1회 충전 시 800km 이상 주행이 가능하고, 누적 주행거리 30만km 이상의 수명을 확보하면서 충전 시간을 12분으로 줄인 리튬메탈전지 연구 결과를 세계적 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재했다.
LG에너지솔루션-KAIST FRL 연구팀의 신규 리튬메탈전지 기술 인포그래픽
리튬메탈전지는 기존 리튬이온 배터리의 흑연 음극을 리튬메탈로 대체해 음극재 무게와 부피를 줄이고 에너지 밀도와 주행거리를 크게 향상시키는 차세대 배터리다. 이를 통해 고성능 전기차의 평균 주행거리를 600km에서 800km 이상으로 늘릴 수 있다. 그러나 리튬메탈전지는 급속 충전 시 리튬 이온이 전극 표면에 불균일하게 쌓이면서 형성되는 덴드라이트 현상으로 인해 내부 단락이 발생하는 문제가 있었다. 이로 인해 급속 충전 조건에서 안정적인 재충전이 어려웠다.
FRL 연구팀은 급속 충전 시 덴드라이트 형성의 근본 원인이 리튬메탈 표면에서의 불균일한 계면 응집반응임을 규명했다. 이를 해결하기 위해 리튬 이온과 결합력이 약한 음이온 구조를 활용한 응집 억제형 신규 액체 전해액을 세계 최초로 개발했다. 이 전해액은 리튬 계면의 불균일성을 최소화하고 급속 충전 시에도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제한다.
이번 연구는 2023년 ‘네이처 에너지’에 게재된 저부식성 붕산염-피란 액체 전해액 기반 리튬메탈전지 연구의 후속 성과다. 방전 효율과 에너지 밀도 개선에 더해 충전 속도 문제를 극복했다는 점에서 의미가 크다. 신규 기술은 높은 에너지 밀도를 유지하면서도 기존 리튬메탈전지의 느린 충전 속도를 극복해 급속 충전 시에도 안정적인 구동을 가능하게 한다.
LG에너지솔루션
LG에너지솔루션의 CTO 김제영 전무는 “지난 4년간 FRL을 통해 이어온 산학 협력이 유의미한 성과를 창출하고 있다”며 “앞으로도 협력을 강화해 기술적 난제를 해결하고 차세대 배터리 분야에서 최고의 성과를 내겠다”고 말했다. KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수는 “계면 구조에 대한 이해를 바탕으로 리튬메탈전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가 마련됐다”며 “리튬메탈전지가 전기차에 도입되기 위한 가장 큰 장벽을 넘었다”고 평가했다.
LG에너지솔루션은 KAIST뿐 아니라 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD), 독일 뮌스턴 대학 및 헬름홀츠 연구소 등 국내외 유수 대학 및 연구기관과 공동 연구센터 FRL을 운영하며 차세대 배터리 기술 확보에 박차를 가하고 있다.
Copyright ⓒ 포인트경제 무단 전재 및 재배포 금지
본 콘텐츠는 뉴스픽 파트너스에서 공유된 콘텐츠입니다.
