[이한영 기자]

리튬금속 배터리 상용화 난제 해결. 이미지

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전기차의 주행거리를 바꿀 '꿈의 배터리'가 상용화 문턱에 한 걸음 더 다가섰다. KAIST 연구진이 리튬금속 배터리의 최대 난제로 꼽혀온 계면 불안정성 문제를 전자 구조 수준에서 풀어냈다.

KAIST 생명화학공학과 최남순 교수팀과 신소재공학과 홍승범 교수팀, 고려대학교 곽상규 교수팀은 리튬금속 배터리의 덴드라이트 성장 원인을 제어하는 핵심 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

리튬금속 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 높아 차세대 전지로 주목받아 왔다. 그러나 충·방전 과정에서 전극과 전해질 경계면이 불안정해지면서 바늘 모양의 결정체 '덴드라이트'가 자라는 문제가 있었다. 이는 수명 저하와 내부 단락, 화재 위험으로 이어지는 상용화의 걸림돌이었다.

연구진 (윗줄 좌측부터) KAIST 최남순교수, 홍승범교수, 고려대 곽상규교수 (아랫줄 좌측부터) KAIST 이정아 박사, 조윤한박사, 고려대 권성현 박사과정

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연구팀은 전해질에 '티오펜(Thiophene)'을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 '지능형 보호막'을 형성했다. 이 보호막은 전하 분포가 상황에 맞게 재배열되며 이온 이동 통로를 스스로 조정한다. 연구진은 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 이러한 전자 구조 변화를 규명했다.

그 결과, 12분 이내의 초고속 충전과 전극 1㎠당 8mA 이상의 고전류 구동을 동시에 구현했다. 리튬금속 배터리 분야에서 통상 4mA 수준도 고전류 조건으로 평가되는 점을 고려하면, 두 배 이상 높은 구동 환경에서도 안정성을 확보한 셈이다.

in-situ AFM 분석을 통한 리튬 전착·탈리 거동의 실시간 관찰

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실시간 원자간력현미경(In-situ AFM) 관찰에서도 높은 전류 조건에서 리튬이 균일하게 석출·제거되는 모습이 확인됐다. 기계적 안정성까지 입증했다는 의미다.

이번 기술은 리튬인산철(LiFePO4), 리튬코발트산화물(LiCoO2), 리튬니켈코발트망간산화물(NCM) 등 현재 상용화된 다양한 양극 소재에 폭넓게 적용 가능하다. 특정 배터리 구조에 국한되지 않는 범용성도 강점으로 꼽힌다.

연구 성과는 재료·에너지 분야 국제 학술지 'InfoMat' 2월 2일 자에 게재됐다. 연구는 현대자동차와 한국연구재단 중견연구사업 지원을 받아 수행됐다.

최남순 교수는 "전자 구조를 설계해 배터리의 근본 문제를 해결한 사례"라며 "고속 충전과 긴 수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리의 핵심 기반이 될 것"이라고 밝혔다.

초장거리 전기차는 물론 도심항공모빌리티(UAM)와 고밀도 에너지 저장 시스템까지. 대전에서 시작된 이번 성과가 미래 이동 산업의 판도를 바꿀 기술적 전환점으로 평가받고 있다. /대전=이한영기자

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