LG에너지솔루션과 카이스트가 공동 연구한 리튬메탈전지 기술. [LG에너지솔루션 제공]

[헤럴드경제=김지윤 기자] LG에너지솔루션과 카이스트 공동 연구팀이 차세대 배터리로 주목받고 있는 ‘리튬메탈전지’의 성능을 획기적으로 늘리는 기술 개발에 성공했다고 7일 밝혔다.

현재 대중적으로 사용되고 있는 리튬이온전지 대비 주행거리를 약 50％ 더 늘리고, 충·방전 효율 및 수명을 대폭 개선할 수 있는 리튬메탈전지 관련 원천기술 등을 주요 내용으로 한다. 특히 이번 연구 논문은 세계적인 과학 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재되며 그 성과를 인정받았다.

LG에너지솔루션과 카이스트는 차세대 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 지난 2021년 공동연구센터 FRL(Frontier Research Laboratory)을 설립하고, 약 2년 동안 연구를 이어왔다.

FRL은 LG에너지솔루션이 국내외 유수 대학 및 기관들과 함께 차세대 배터리 관련 연구개발(R&D) 과제를 수행하는 공동 연구센터다. LG에너지솔루션은 카이스트 외에도 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD), 독일 뮌스턴 대학 및 헬름홀츠 연구소 등과 FRL을 운영하고 있다.

리튬메탈전지는 흑연계 음극재를 리튬메탈로 대체, 기존 리튬이온전지보다 음극재의 무게와 부피를 크게 줄인 배터리를 말한다. 이를 통해 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있어 차세대 배터리 중 하나로 꼽힌다.

하지만 기존 리튬메탈전지는 음극 표면에 발생하는 ‘덴드라이트(Dendrite)’와 액체 전해액에 의한 지속적인 부식이 발생할 수 있어, 배터리의 수명과 안전성을 위협하는 한계로 지적돼 왔다. 덴드라이트는 전지 내 리튬의 전착 과정에서 음극 표면에 나뭇가지 모양으로 리튬 결정체가 쌓이는 것을 의미한다.

공동 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘붕산염-피란(borate-pyran) 기반 액체 전해액’을 세계 최초로 적용했다. 이 전해액은 충방전시 리튬메탈 음극 표면에 형성되는 수 ㎚(나노미터·1㎚=10억분의 1m) 두께의 고체 전해질 층(SEI)을 치밀한 구조로 재구성해 전해액과 리튬메탈 음극 간의 부식 반응을 차단하는 역할을 한다.

이를 통해 리튬메탈전지의 충방전 효율을 향상하는 것은 물론 1회 충전에 900㎞ 주행이 가능할 만큼 에너지밀도를 높일 수 있다. 기존 고성능 전기차에 적용되는 리튬이온전지 주행거리(약 600㎞) 대비 50％ 높은 수준이다.

이 밖에도 400회 이상 재충전이 가능할 만큼 수명 안정성 확보도 가능해졌다. 이번 연구에서 구현된 리튬메탈전지는 전고체전지와는 달리 구동 시 높은 온도와 압력이 요구되지 않아 전기차의 주행거리를 높이기 위한 간소화된 전지 시스템 설계도 가능하다.

정근창 LG에너지솔루션 미래기술센터장 부사장은 “액체 전해액을 사용하는 리튬메탈전지의 대표적인 난제를 해결해 상용화에 한 걸음 더 다가설 수 있게 됐다”며 “앞으로도 FRL과의 적극적인 협력을 통해 차세대 배터리 상용화에 앞장서겠다”고 강조했다.

김희탁 카이스트 생명화학공학과 교수는 “이번 연구는 지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액을 기반으로 하는 리튬메탈전지의 구현 가능성을 가시화한 연구”라고 말했다. 논문의 제 1저자인 권혁진 카이스트 박사과정은 “리튬금속 음극 계면의 나노스케일 제어를 통해 리튬메탈전지의 한계를 극복할 수 있음을 보였다”고 밝혔다.