최근 몇 년간 전기차 배터리는 크게 발전했지만, 세계의 연구진들은 안전성을 더욱 개선하기 위해 끊임없이 개발을 이어가고 있다. 이런 가운데 최근 한국 대구경북과학기술원(DGIST) 연구팀이 삼중 고체 고분자 전해질 구조를 갖춘 새로운 리튬 금속 배터리를 개발했다. 이 배터리가 특히 주목받는 건 화재 발생 시 스스로 불을 끌 수 있는 능력을 갖췄기 때문이다. 또한, 여러 차례의 충전 사이클 후에도 강력한 성능을 유지하는 것으로 알려졌다.
기존의 고체 고분자 전해질 배터리에서는 충전과 방전 과정 중 리튬이 '덴드라이트(dendrite)'라 불리는 나무 모양의 구조를 형성하는데, 이 덴드라이트는 배터리의 연결부를 손상시켜 화재와 폭발의 위험을 크게 증가시킨다. 이는 리튬 금속 배터리의 잠재력을 극대화하는 데 오랜 문제가 되어왔으나, 이번 연구를 통해 새로운 전환점이 마련된 것으로 보인다.
새롭게 개발된 배터리는 안전성과 내구성을 향상시키기 위해 설계된 삼중 구조를 특징으로 한다. 연구진에 따르면, 1000회의 충전 사이클 후에도 성능의 87.9%를 유지할 수 있으며, 전기차 외에도 스마트폰, 웨어러블 기기, 대규모 에너지 저장 시스템 등 다양한 용도에 적합하다. 다만 삼중 구조 리튬 배터리 기술이 대중적으로 채택되기까지 얼마나 시간이 걸릴지는 불확실하다.
학술지 ‘Small’에 게재된 논문에서 DGIST 연구팀은 삼중 전해질 구조를 상세히 설명했다. 전극과의 접촉을 보장하는 부드러운 외층과 배터리의 구조적 강도를 높이는 강한 중간층으로 구성되어 있고, 전해질에는 화재 억제제(데카브로모디페닐 에탄), 고농도의 리튬 염, 그리고 강도를 강화하는 제올라이트가 포함돼 있다. 이런 요소들은 결과적으로 더 안전하고 신뢰할 수 있는 배터리를 만든다.
이는 단순히 화재 안전에 그치지 않는다. 연구를 이끈 김재현 박사를 포함한 개발팀에 따르면, 1000회의 충전 및 방전 후에도 약 87.9%의 성능을 유지하며, 이는 현재 대부분의 배터리가 같은 사이클 동안 용량의 20~30%를 잃는 것과 비교할 때 상당한 개선이다. 예를 들어, 해당 배터리를 사용해 약 482㎞를 주행할 수 있는 전기차가 있다면, 48만㎞ 이상을 주행한 후에도 약 87.9%의 용량을 유지해 약 418㎞ 이상의 주행거리를 제공할 수 있다는 것이다.
또한, 해당 배터리는 화재 발생 시 스스로 불을 끌 수 있는 독특한 기능을 갖췄다. 이러한 내구성과 안전성의 조합은 배터리 산업에 큰 영향을 미칠 가능성이 있다.
김재현 박사는 이번 연구의 잠재적 영향에 대해 “고체 고분자 전해질을 사용하는 리튬 금속 배터리의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대되며, 에너지 저장 장치의 안정성과 효율성을 향상시키는 데 도움을 줄 것”이라고 설명했다.
전기차가 해당 기술의 주요 활용 사례로 꼽히지만, 응용 범위는 훨씬 더 넓다. 스마트폰, 웨어러블 기기부터 대규모 에너지 저장 시스템에 이르기까지 다양한 용도로 사용될 수 있어, 앞으로의 전자 기기들을 조금 더 안전하고 효율적으로 만들어줄 수 있을 것이다.
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