"한번 충전에 900㎞"…KAIST·LG엔솔, 전기차 배터리 혁신

리튬이온전지보다 주행거리 50%↑…리튬금속전지 원천기술 개발
'붕산염-피란 기반 액체 전해액' 최초 적용…덴드라이트·부식 문제 해결

/사진제공=KAIST

KAIST(카이스트)는 김희탁 생명화학공학과 교수와 LG에너지솔루션 공동연구팀이 '리튬금속전지'의 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 원천기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

리튬금속전지는 전기차의 주행거리를 획기적으로 높일 수 있다. 그러나 전지 내 리튬의 전착 과정에서 '덴드라이트(Dendrite:전지의 활성을 저하하는 가지모양의 결정)가 형성되고, 액체 전해액에 의한 지속적인 부식(Corrosion)이 발생해 전지의 수명과 안정성에 부정적 영향을 주는 만큼 기술적 해결이 필요하다.

공동연구팀은 1회 충전에 900㎞ 주행, 400회 이상 재충전이 가능한 리튬금속전지 연구 결과를 공개했다. 이는 기존 리튬이온전지의 주행거리인 약 600㎞보다 50% 높은 수준이다.

공동연구팀은 리튬금속전지의 구현을 위해 기존에 보고되지 않은 `붕산염-피란(borate-pyran) 기반 액체 전해액'을 세계 최초로 적용, 리튬금속 음극의 기술적 난제를 해결하고 그 근본원리를 규명했다.

붕산염-피란 전해액은 리튬금속 음극 표면에 형성된 수 나노미터 두께의 '고체 전해질 층(SEI)'을 치밀한 구조로 재구성해 전해액과 리튬 간의 부식 반응을 차단한다. 특히 이 'SEI 재구성' 기술은 덴드라이트와 부식 문제를 동시에 해결해 리튬금속 음극의 충전·방전 효율을 향상하는 것은 물론 기존보다 배터리 음극재와 전해액의 무게를 크게 줄여 에너지 밀도를 높일 수 있는 게 특징이다.

김희탁 교수,/사진제공=KAIST

특히 이번 연구에서 구현된 리튬금속전지는 구동 시 높은 온도와 압력이 요구되지 않아, 전기차의 주행거리를 높이기 위한 간소화된 전지 시스템 설계가 가능하다.

김희탁 교수는 "이번 연구는 지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액 기반의 리튬금속전지의 구현 가능성을 가시화한 연구" 라고 말했다. 논문의 제1 저자인 권혁진 박사과정은 "리튬금속음극 계면의 나노스케일 제어를 통해 리튬금속전지의 한계를 극복할 수 있음을 보였다고 연구의 의미를 강조했다.


이 연구결과는 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 지난달 23일 온라인 게재됐다.

한편 이번 연구 성과는 카이스트와 LG에너지솔루션이 차세대 리튬금속전지 기술 개발을 위해 2021년 설립한 '프론티어 연구소'를 통해 이뤄진 것으로, 대학과 기업이 힘을 모은 배터리 기술 혁신의 사례로 기록됐다.