[인더스트리뉴스 조창현 기자] 대표적인 차세대 배터리로 꼽히는 ‘리튬금속전지(Lithium metal battery)’는 전기차 주행거리를 크게 높일 수 있다는 특징을 갖고 있다. 특히 기존 흑연계 음극재를 리튬금속으로 대체하면서 기존 리튬이온전지(Lithium-ion battery)보다 음극재 무게 및 부피를 크게 줄일 수 있다. 다만 전지 수명과 안정성 확보를 어렵게 하는 덴드라이트(Dendrite) 형성 및 액체 전해액에 의한 지속적인 부식(Corrosion) 발생 관련 문제는 기술적인 해결이 필요하다.

이에 KAIST(총장 이광형)는 LG에너지솔루션과 공동으로 리튬금속전지 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 원천기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 양측이 공동으로 진행한 연구는 2021년부터 2년간 이어져 왔다.

기술 개발에는 KAIST생명화학공학과 김희탁 교수와 LG에너지솔루션 공동연구팀이 나섰다. 공동연구팀은 1회 충전에 900km 주행, 400회 이상 재충전이 가능한 리튬금속전지 연구 결과를 공개했다. 기존 리튬이온전지 최대 주행거리인 약 600km보다 50% 높은 수준이다.

또 공동연구팀은 리튬금속전지 구현을 위해 기존에 보고되지 않은 붕산염-피란(borate-pyran) 기반 액체 전해액을 세계 최초로 적용, 리튬금속 음극에 대한 기술적 난제를 해결하고 관련된 근본원리를 규명했다. 붕산염-피란 전해액은 리튬금속 음극 표면에 형성된 수 나노미터 두께 고체 전해질 층(SEI)을 치밀한 구조로 재구성함으로써 전해액과 리튬간 부식 반응을 차단한다.

KAIST는 ‘고체 전해질 층 재구성(SEI restructuring)’ 기술이 덴드라이트와 부식 문제를 동시에 해결해 리튬금속 음극에 대한 충·방전 효율을 향상하고, 배터리 음극재와 전해액 무게를 기존 대비 크게 줄일 수 있어 에너지 밀도(Energy Density)를 높일 수 있다고 설명했다. 특히 연구를 통해 구현된 리튬금속전지는 구동시 높은 온도와 압력이 요구되지 않기에 전기차 주행거리 증가를 간소화된 전지 시스템 설계가 가능할 것으로 보인다.

KAIST생명화학공학과 김희탁 교수는 “연구는 지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액 기반 리튬금속전지에 대한 구현 가능성을 가시화한 연구ˮ라고 말했다.

LG에너지솔루션 정근창 미래기술센터장겸부사장은 “KAIST와 함께 액체 전해액을 사용하는 리튬메탈전지 관련 대표적인 난제를 해결해 상용화에 한 걸음 더 다가설 수 있게 됐다는데 의의가 있다”며, “앞으로도 차별화된 기술력을 바탕으로 차세대 배터리 상용화에 앞장서 나가겠다”고 전했다.

한편 공동연구팀이 진행한 연구에 대한 결과는 세계적인 학술지 네이처에너지(Nature Energy)에 지난 11월 23일 온라인 게재됐다. 논문 제1저자인 KAIST 권혁진 박사과정은 “리튬금속음극 계면에 대한 나노스케일 제어를 통해 리튬금속전지가 가진 한계를 극복할 수 있음을 보였다ˮ고 진행한 연구에 대한 의미를 강조했다.

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