기존 배터리 용량 한계를 뛰어넘을 것으로 기대되는 '리튬이온 배터리'의 상용화 걸림돌이 해소될 전망이다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 최남순 생명화학공학과 교수팀 및 홍승범 신소재공학과 교수팀, 곽상규 고려대 교수팀이 리튬금속 배터리 '계면 불안정성'을 전자 구조 수준에서 해결했다고 24일 밝혔다.
계면 불안정성은 충·방전 중 전극과 전해질이 맞닿는 경계면이 고르지 못하게 되는 현상이다. 리튬이 바늘처럼 자라난 '덴드라이트'가 형성돼 배터리 수명 저하와 내부 단락, 화재 위험으로 이어져 리튬금속 배터리 상용화를 가로막았다.
연구팀은 배터리 전해질에 '티오펜'을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 '지능형 보호막'을 구현했다. 리튬 이온이 이동할 때마다 보호막 내 전하 분포가 유연하게 변하며 최적의 통로를 만들어준다. 연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션으로 기존 상용 첨가제보다 뛰어난 안정성을 확인했다.
그 결과, 고속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하고 배터리 수명을 크게 늘리는 데 성공했다. 또 연구팀은 실시간 원자간력 현미경(In-situ AFM)으로 나노미터 수준에서 배터리 내부를 직접 관찰, 기계적 안정성까지 입증했다.
이번 기술은 다양한 배터리 양극 소재에 사용할 수 있고, 기존 전기차 배터리 시스템 전반에 폭넓게 적용 가능해 파급력이 크다. 리튬금속 배터리 초고속 충전(12분 내 빠른 충전 및 8㎃/㎠ 이상 고전류 구동 동시 구현) 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 돌파구를 제시했다는 점에서도 의미가 크다. 초장거리 전기차는 물론 도심 항공 모빌리티(UAM), 차세대 고밀도 에너지 저장 시스템(ESS) 등에 활용될 것으로 기대된다.
최남순 교수는 “이번 연구는 단순 소재 개선이 아니라 전자 구조를 설계해 배터리 근본 문제를 해결한 성과”라며 “고속 충전과 긴 수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 '인포맷'에 지난 2일 게재됐고, 현대자동차와 한국연구재단 중견연구사업 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
