리튬금속 배터리 성능 개선 모식도.[KAIST 제공]

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 차세대 리튬금속배터리의 상용화 난제를 해결할 핵심기술 개발에 성공했다.

KAIST는 생명화학공학과 최남순 교수팀과 신소재공학과 홍승범 교수팀, 고려대학교 곽상규 교수팀이 협력해 리튬금속 배터리의 가장 큰 난제인 ‘계면 불안정성’을 전자 구조 수준에서 해결하는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

계면 불안정성은 충·방전 과정에서 전극과 전해질이 맞닿는 경계면이 고르게 유지되지 못하는 현상이다. 이로 인해 리튬이 바늘처럼 자라나는 덴드라이트가 형성되고, 이는 배터리 수명 저하와 내부 단락, 화재 위험으로 이어진다. 리튬금속 배터리 상용화를 가로막아 온 근본 원인이다.

연구팀은 배터리 전해질에 ‘티오펜(Thiophene)’을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 ‘지능형 보호막’을 구현했다. 이 보호막은 전자 구조가 스스로 재배열되는 특징을 갖는다.

마치 교통량에 따라 차로를 조정하는 스마트 교통 시스템처럼, 리튬 이온이 이동할 때마다 보호막 내부의 전하 분포가 유연하게 변하며 최적의 통로를 만들어준다.

그 결과, 고속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하고 배터리 수명을 크게 늘리는 데 성공했다.

또한 연구팀은 실시간 원자간력 현미경(In-situ AFM)을 활용해 나노미터 수준에서 배터리 내부를 직접 관찰했다. 높은 전류 조건에서도 리튬이 표면에 균일하게 쌓이고 제거되는 것을 확인해 기계적 안정성까지 입증했다.

이정아(아랫줄 왼쪽부터 시계방향) KAIST 박사, 최남순, 홍승범 KAIST 교수, 곽상규 고려대 교수, 권성현 고려대 박사과정, 조윤한 KAIST 박사.[KAIST 제공]

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>

이번 기술은 리튬 인산철(LiFePO4), 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈-코발트-망간 산화물 등 현재 널리 쓰이는 다양한 배터리 양극 소재에 사용할 수 있다. 이는 특정 배터리 유형에 한정되지 않고 기존 전기차 배터리 시스템 전반에 폭넓게 적용 가능, 산업 전반에 미칠 파급효과가 클 것으로 기대된다.

특히 리튬금속 배터리 상용화를 가로막던 최대 장벽인 초고속(12분 내 빠른 충전과 8mA/cm2 이상의 고전류 구동을 동시 구현) 충전 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 돌파구를 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.

최남순 교수는 “이번 연구는 단순한 소재 개선이 아니라 전자 구조를 설계해 배터리의 근본 문제를 해결한 성과”라며 “고속 충전과 긴 수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리의 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.