LG에너지솔루션·카이스트, 수년간 난제였던 리튬메탈전지 급속충전 기술 개발

LG에너지솔루션이 카이스트 연구팀과 그동안 해결되지 않았던 차세대 배터리 ‘리튬메탈전지’의 급속충전 문제에 새로운 기술을 개발했다.

LG에너지솔루션과 카이스트 공동연구팀이 차세대 배터리로 주목받는 리튬메탈전지를 12분 만에 충전해 4일에 1회 충전으로 800㎞ 이상 주행하고 누적 주행거리는 30만㎞ 이상 확보하는 기술 개발에 성공해 연구 결과를 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지’에 게재했다고 밝혔다. LG에너지솔루션과 카이스트는 2021년부터 리튬메탈전지 원천기술 개발을 위해 공동연구센터 프론티어리서치랩(FRL)을 설립한 뒤 연구 성과를 발표하고 있다.

LG에너지솔루션과 카이스트 공동연구팀이 개발한 리튬메탈전지 기술 인포그래픽. LG에너지솔루션 제공

리튬메탈전지는 리튬이온배터리의 핵심소재 중 하나인 흑연 음극을 리튬메탈로 대체한배터리다. 음극재 무게와 부피를 크게 줄여 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있다는 점이 장점이다. 고성능 전기차 평균 주행거리가 600㎞에서 리튬메탈전지를 탑재하면 800㎞ 이상으로 향상된다는 연구도 있다.

아직까지 리튬메탈전지 상용화가 어려운 이유는 ‘덴드라이트’라는 문제 때문이다. 덴드라이트란 배터리 충전 과정에서 리튬 이온이 음극에 불균등하게 쌓이면서 금속 결정이 나뭇가지 모양으로 자라나는 현상을 뜻한다. 전지 내 리튬 이온이 적체돼 쌓이면 화재·폭발이 발생할 수 있는 등 안전성이 떨어지고 배터리 수명 확보도 어려워진다. 특히 급속충전 시 덴드라이트 현상이 더 심각하게 발생해 급속충전 조건에서 재충전이 가능한 리튬메탈전지를 만들기 어려웠다.

FRL 공동연구팀은 급속충전 시 덴드라이트가 형성되는 근본적 원인이 리튬메탈 표면에 나타나는 균일하지 않은 계면 응집반응임을 규명하고 이를 방지할 응집 억제형 신규 액체 전해액을 세계 최초로 개발했다. 신규 액체 전해액은 리튬 이온과 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 덴드라이트 성장을 억제했다.

이 기술로 리튬메탈전지의 고질적 문제이던 느린 충전을 극복하면서 리튬메탈전지 상용화 속도가 앞당겨질 것으로 LG에너지솔루션은 기대한다. 특히 높은 에너지 밀도를 유지하면서 난제였던 충전 속도 문제를 해결해 안정적인 구동이 가능해졌다. 

김제영 LG에너지솔루션 최고기술책임자(CTO) 전무는 “지난 4년간의 협력이 유의미한 성과를 창출하고 있다”며 “앞으로도 산학 협력을 더욱 강화해 기술적인 난제를 해결하고 차세대 배터리 분야에서도 최고의 성과를 창출해 나가겠다”고 말했다. 김희탁 카이스트 교수(생명화학공학)는 “이번 연구는 계면 구조에 대한 이해를 통해 리튬메탈전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가됐다”며 “리튬메탈전지가 전기차에 도입되기 위한 가장 큰 장벽을 넘어섰다”고 평가했다.

박유빈 기자 [e-mail]