LG엔솔-KAIST '프론티어리서치랩' 공동 연구팀
리튬메탈전지 내 부식 막아 수명 늘리고 부피 줄여
1회 충전에 주행거리 600㎞→900㎞ 이상
게티이미지뱅크
LG에너지솔루션과 한국과학기술원(KAIST)의 공동 연구팀이 차세대 배터리로 주목받고 있는 리튬메탈전지의 기술적 난제를 극복하고 성능을 끌어올릴 원천 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.
이날 LG엔솔과 KAIST에 따르면, 양측이 2021년 세운 공동연구센터 '프론티어리서치랩(FRL)'의 김희탁 생명화학공학과 교수팀은 2년의 연구 끝에 리튬 부식을 막아 리튬메탈전지의 수명과 성능을 높이는 기술을 확보했다. 이번 연구 결과는 에너지 분야 세계 최고 권위 학술지인 '네이처 에너지'에도 지난달 23일 온라인으로 공개돼 그 성과를 인정받았다.
리튬메탈전지는 기존에 전기차 배터리로 널리 쓰이는 리튬이온전지의 흑연 음극재를 리튬메탈로 대체하면서 배터리의 무게와 크기는 줄이고 에너지 밀도와 주행 거리를 크게 향상시킬 수 있어 차세대 배터리 중 하나로 꼽혀 왔다. 하지만 배터리 내 양극과 음극 사이 리튬 이온이 전달될 수 있게 하는 액체 전해액이 리튬메탈의 부식을 일으키는 문제가 배터리의 수명과 안전성을 위협하는 한계로 지적됐다.
리튬이온전지, 기존의 리튬메탈전지, LG엔솔-KAIST FRL 연구팀의 새 리튬메탈전지를 비교한 이미지. LG에너지솔루션 제공
LG엔솔과 KAIST의 공동 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 붕산염-피란(borate-pyran) 기반의 액체 전해액을 활용했다. 이 성분을 활용한 연구는 이번이 처음이다. 실험 결과 새 전해액은 충전과 방전 때 리튬메탈 음극 표면에 형성되는 수 나노미터 두께의 고체 전해질 층을 치밀한 구조로 재구성해 전해액과 리튬메탈 음극 간 부식 반응을 막았다.
이번 연구로 새로 개발한 배터리는 부식 문제를 해결할 뿐 아니라 배터리 음극제와 전해액의 무게를 기존보다 크게 줄여 1회 충전에 900㎞까지 달릴 정도로 에너지 밀도를 높였다. 이는 기존 고성능 전기차에 적용된 리튬이온전지의 주행 거리(600㎞)보다 약 50% 정도 늘어난 수준이다. 재충전도 400회 이상 가능해 수명 안정성도 확보됐다고 한다.
김희탁 교수는 "지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액을 기반으로 하는 리튬메탈전지의 구현 가능성을 가시화한 연구"라고 의의를 밝혔다. 정근창 LG에너지솔루션 미래기술센터장 부사장은 "KAIST와 함께 리튬메탈전지의 어려운 숙제를 풀어 상용화에 한 걸음 더 다가설 수 있게 됐다"며 "앞으로도 FRL과 협력을 통해 차별화된 기술력을 바탕으로 차세대 배터리의 상용화에 앞장서 나가겠다"고 말했다.
LG엔솔은 국내에 설립한 KAIST와의 FRL 외에도 유럽에서 독일 뮌스터대 배터리 연구센터(MEET)·헬름홀츠 연구소, 미국에서 샌디에이고 캘리포니아대(UCSD)와 FRL을 운영하고 있다.
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