엘지(LG)에너지솔루션과 카이스트(KAIST) 공동 연구팀(김희탁 카이스트 생명화학공학과 교수)이 리튬메탈전지의 성능을 개선하는 기술개발에 성공했다고 7일 밝혔다. 전기차에 이 기술을 적용하면 1회 충전 때 갈 수 있는 거리를 900㎞까지 늘릴 수 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있다.
이번에 개발한 기술은 리튬메탈전지의 효율과 수명을 개선한 원천 기술이다. 리튬이온전지와 비교해 주행거리를 50% 늘리고 400회 이상 재충전할 수 있다. 이 연구는 네이처 에너지에도 게재됐다.
리튬메탈전지는 흑연계 음극재를 리튬메탈로 대체해 기존 리튬이온전지보다 음극재 무게와 부피를 크게 줄여 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있는 것이 장점이다. 그러나 음극 표면에 발생하는 덴드라이트(dendrite)와 액체 전해액에 의한 지속적 부식이 배터리 수명과 안전성을 위협하는 요인으로 지목돼 왔다. 덴드라이트는 배터리 사용 과정에서 리튬이 음극 표면에 적체되며 나뭇가지 형태를 띤 결정체를 형성하는 현상을 말한다. 이는 리튬이온 이동을 방해해 전지 효율과 수명을 떨어뜨리고 화재 위험을 높인다.
공동 연구팀은 이런 문제를 해결하고자 ‘붕산염-피란 기반 액체 전해액’을 세계최초로 적용했다. 이 전해액은 충·방전 때 리튬메탈 음극 표면에 형성되는 수 나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1ｍ) 두께의 고체 전해질층을 재구성해 전해액과 리튬메탈 음극 간 부식 반응을 차단하는 역할을 한다. 이를 통해 리튬메탈전지의 충·방전 효율을 높임과 동시에 1회 충전 시 900㎞에 달하는 주행거리를 확보할 만큼 에너지 밀도를 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다. 고성능 전기차에 적용되는 기존 리튬이온전지의 주행가능 거리는 약 600㎞다.
엘지에너지솔루션과 카이스트는 차세대 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 2021년 공동연구센터 FRL(Frontier Research Laboratory)을 설립하고 2년여간 연구를 거쳐 이번 기술 개발에 성공했다.
최우리 기자
ecowoori@hani.co.kr
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