LG에너지솔루션(373220)이 KAIST(카이스트)와 함께 차세대 배터리로 주목받는 리튬메탈전지의 충전 속도를 혁신적으로 단축할 수 있는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
양측 공동 연구팀은 1회 충전에 800㎞ 이상 주행, 누적 주행거리 30만㎞ 이상의 수명을 확보하면서 충전 시간을 12분까지 단축할 수 있는 리튬메탈전지 연구 결과를 세계적인 학술지 '네이처 에너지'에 게재했다.
LG에너지솔루션과 KAIST는 2021년 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 공동연구센터 FRL을 설립하고 연구를 이어오고 있다.
이번 기술은 지난 2023년 발표해 '네이처 에너지'에 게재된 '저부식성 붕산염-피란 액체 전해액 기반 리튬메탈전지'의 후속 연구다. 방전 효율과 에너지 밀도는 물론 리튬메탈전지의 난제로 꼽히던 충전 속도까지 개선했다는 의미가 있다.
리튬메탈전지는 리튬이온 배터리의 핵심 소재 중 하나인 흑연 음극을 리튬메탈로 대체하는 배터리다. 음극재의 무게와 부피를 크게 줄여 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
다만 리튬메탈전지는 수명과 안정성 확보를 어렵게 만드는 '덴드라이트'(나뭇가지 모양의 결정) 문제를 해결해야 하는 기술적 어려움이 존재해왔다. 충·방전 과정에서 리튬금속의 표면에 생기는 덴드라이트 현상은 화재 위험이 크고 급속 충전 시에는 더욱 그 위험이 증가하는데, 재충전이 가능한 리튬메탈전지를 구현하는 것이 난제였다.
이에 FRL 연구팀은 급속 충전 시 덴드라이트 형성의 근본적 원인을 해결할 수 있는 응집 억제형 신규 액체 전해액을 세계 최초로 개발했다. 신규 액체 전해액은 리튬 이온과의 결합력이 약한 음이온 구조를 활용, 리튬 계면 상의 불균일성을 최소화하면서 급속 충전 시에도 덴드라이트 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
이 기술은 높은 에너지밀도를 유지하면서도 기존에 한계로 지적되던 느린 충전 속도 문제를 극복해 리튬메탈전지의 상용화를 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
김제영 LG에너지솔루션 최고기술책임자(CTO) 전무는 "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 KAIST 생명화학공학과 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.
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