LG에너지솔루션과 KAIST 공동 연구팀이 확보한 ‘리튬메탈전지 원천기술’이 성과를 인정받아 세계적인 과학 학술지인 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재됐다.

7일 공동 연구팀은 세계 최초로 리튬메탈전지에 ‘붕산염-피란(borate-pyran)기반 액체 전해액’을 적용해 배터리 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 원천기술을 개발했다고 밝혔다.

정근찬 LG엔솔 미래기술센터장 부사장은 “KAIST와 함께 액체 전해액을 사용하는 리튬메탈전지의 대표적인 난제를 해결해 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있게 되었다는데 의의가 있다”면서, “앞으로도 FRL과의 적극적인 협력을 통해 차별화된 기술력을 바탕으로 차세대 배터리의 상용화에 앞장서 나가겠다”고 말했다.

리튬메탈전지는 기존 흑연계 음극재를 리튬메탈로 대체한 배터리다. 기존 리튬이온전지보다 음극재의 무게와 부피를 줄일 수 있고, 이를 통해 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있어 대표적인 차세대 배터리 중 하나로 꼽힌다.

하지만 기존 리튬메탈전지의 경우 음극 표면에 발생하는 ‘덴드라이트(Dendrite)’와 ‘액체 전해액’에 의해 지속적인 부식(Corrosion)이 일어난다. 덴드라이트는 배터리를 충전하면서 리튬이 가지 모양으로 석출되는 현상을 말한다. 이로 인해 배터리의 수명이 줄어들고, 안전에 문제가 발생할 수 있다고 지적돼 왔다.

LG엔솔과 KAIST 공동 연구팀은 세계 최초로 ‘붕산염-피란(borate-pyran)기반 액체 전해액’을 적용해 이같은 문제를 해결했다고 밝혔다. 해당 전해액은 충방전시 리튬메탈 음극 표면에 형성되는 수 나노미터 두께의 ‘고체 전해질 층(Solid Electrolyte Interphase, SEI)’을 치밀한 구조로 재구성해 전해액과 리튬메탈 음극 간의 부식 반응을 차단하는 역할을 한다.

LG엔솔측은 이를 통해 리튬메탈전지의 충방전 효율을 향상시키는 동시에 1회 충전에 900km 주행이 가능할 만큼 에너지밀도를 높일 수 있다고 밝혔다. 이는 기존 고성능 전기차에 적용되는 리튬이온전지의 주행거리 약 600km보다 50% 높은 수준이다.

아울러 400회 이상 재충전이 가능할 만큼 수명 안정성 확보도 가능하다고 알렸다. 또, 이번 연구에서 구현된 리튬메탈전지는 전고체전지와는 달리 구동시 높은 온도와 압력이 요구되지 않아 전기차의 주행거리를 높이기 위한 간소화된 전지 시스템 설계가 가능하다는 설명이다.

김희탁 KAIST 생명공학과 교수는 “이번 연구는 지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액을 기반으로 하는 리튬메탈전지의 구현 가능성을 가시화한 연구”라고 말했다.

이어 논문의 제1저자인 권혁진 박사과정은 “리튬금속 음극 계면의 나노스케일 제어를 통해 리튬메탈전지의 한계를 극복할 수 있음을 보였다”라고 말했다.

한편, 지난 2021년 10월 LG엔솔과 KAIST는 차세대 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 공동연구센터 FRL(Frontier Research Laboratory)을 설립했다. LG엔솔은 FRL에서 국내외 유수 대학 및 기관들과 함께 차세대 배터리 관련 연구개발을 수행하고 있다는 설명이다.

LG엔솔은 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD)과는 ‘전고체 배터리’, ‘건식 전극 공정’ 관련 연구를 하고 있고, 독일 뮌스턴 대학 및 헬름홀츠 연구소와는 ‘고용량 차세대 양극재’, ‘실리콘 음극재’, ‘친환경 공정’ 등을 연구하고 있다고 전했다.