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차세대 리튬금속 배터리의 기술적 한계였던 충전 효율 및 안전 문제를 극복한 핵심 기술이 국내에서 개발됐다.

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. 이 현상으로 인해 리튬이 바늘처럼 자라나는 ‘덴드라이트’가 형성되면 배터리 수명 저하와 내부 단락, 화재 위험으로 이어질 수 있다. 이는 리튬금속 배터리상용화를 가로막아 온 근본 원인이었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 배터리 전해질에 ‘티오펜(Thiophene)’을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 ‘지능형 보호막’을 구현했다. 이 보호막은 전자구조가 스스로 재배열되는 특징을 갖는다. 리튬 이온이 이동할때마다 보호막 내부의 전하 분포가 유연하게 변하도록 해 최적의 통로를 만들어준 것이다.

연구팀은 “밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 지능형 보호막의 효과를 규명했다”며 “기존 상용 첨가제보다 훨씬 뛰어난 안정성을 확인했다”고 설명했다. 그 결과 고속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하고 배터리 수명을 크게 늘리는 데 성공했다.

또한 실시간 원자간력 현미경(In-situ AFM)을 활용해 배터리 내부를 관찰한 결과 높은 전류 조건에서도 리튬이 표면에 균일하게 쌓이고 제거되는 것을 확인해 기계적 안정성까지 입증됐다.

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이번 기술은 특정 배터리 유형에 한정되지 않고 기존 전기차 배터리 시스템 전반에 폭넓게 적용 가능해, 산업 전반에 미칠 파급효과가 클 것으로 기대된다. 연구팀은 “이번 기술은 리튬 인산철·리튬 코발트 산화물·리튬 니켈-코발트망간 산화물 등 현재 널리 쓰이는 다양한 배터리 양극 소재에 사용할 수 있다”고 전했다.

이번 성과는 리튬금속 배터리 상용화를 가로막던 최대 장벽인 초고속충전 문제를 근본적으로 해결하는 돌파구를 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 12분 내 빠른 충전과 8mA/cm2 이상의 고전류 구동을 동시 구현할 수 있게 된 것이다. 이에 초장거리 전기차는 물론 도심 항공 모빌리티(UAM), 차세대 고밀도 에너지 저장 시스템 등 고성능 배터리가 필요한 다양한 미래 산업 분야에 활용될 것으로 기대된다.

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.

이번 연구에는 KAIST 최남순 교수, 홍승범 교수, 이정아 연구원, 조윤한 연구원이 공동 제 1저자로 참여했으며, 재료·에너지 분야 세계적 학술지 ‘인포맷(InfoMat)’ 에 이달 2일 게재됐다.

장형임 기자 jang@sedaily.com

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