한국과학기술원(KAIST) 연구진이 전기차 배터리의 차세대 기술로 꼽히는 리튬메탈전지의 가장 큰 난제인 ‘덴드라이트’ 문제를 해결했다. 이번 성과는 전기차 1회 충전 주행거리 800km, 30만km 이상의 수명, 12분대 초고속 충전이 가능한 전지를 현실화할 수 있는 기반으로 평가된다.

KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀과 LG에너지솔루션이 함께 운영 중인 프론티어 연구소(FRL)는 리튬메탈전지의 계면 불균일성을 억제하는 신규 액체 전해액을 개발했다고 4일 밝혔다.

리튬메탈전지는 기존 리튬이온전지의 흑연 음극 대신 리튬메탈을 사용해 에너지 밀도를 크게 높일 수 있지만, 충전 과정에서 나뭇가지 형태의 결정체인 덴드라이트가 발생해 수명과 안정성을 떨어뜨리는 문제가 있었다. 특히 급속 충전 시 덴드라이트가 심각하게 생겨 실질적 상용화에 큰 걸림돌로 지적돼왔다.

연구팀은 리튬메탈 표면의 불균일한 계면 반응이 덴드라이트의 핵심 원인임을 규명하고, 이를 억제하는 새로운 전해액을 제시했다. 이 전해액은 리튬 이온과 약하게 결합하는 음이온 구조를 활용해 계면 안정성을 높이고, 급속 충전 환경에서도 덴드라이트 형성을 효과적으로 막는다.

 

김희탁 교수는 “이번 연구는 리튬메탈전지 상용화를 가로막던 기술적 난제를 근본적으로 풀어낸 사례”라며 “차세대 전기차 배터리 상용화를 앞당기는 핵심 토대가 될 것”이라고 말했다.

이 성과는 KAIST 권혁진 박사가 제1 저자로 참여한 논문이 세계적 학술지 네이처 에너지(Nature Energy) 9월 3일 자에 게재되며 국제적으로 인정받았다. 네이처 에너지는 에너지 분야 학술지 가운데 영향력이 가장 높은 저널이다.

LG에너지솔루션 김제영 CTO는 “4년간 이어온 산학 협력이 차세대 배터리 분야에서 의미 있는 성과를 내고 있다”며 “앞으로도 협력을 강화해 글로벌 경쟁력을 확보하겠다”고 밝혔다.

이번 연구는 2021년 KAIST와 LG에너지솔루션이 설립한 FRL을 통해 진행됐다.