12분만에 충전하는 차세대 배터리 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
LG에너지솔루션과 한국과학기술연구원(KAIST)으로 구성된 FRL(Frontier Research Laboratory) 연구팀은 리튬메달전지(Lithium Metal Battery) 충전시간을 12분으로 단축할 수 있는 획기적인 급속충전 기술을 개발하는데 성공했다고 4일 밝혔다. FRL은 LG에너지솔루션과 KAIST가 지난 2021년 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 설립한 공동연구센터다.
연구팀이 개발한 이 기술은 리튬메탈전지 배터리에서 1회 충전으로 800km 이상 주행 가능하다. 또 누적 주행거리가 30만km가 넘을 정도로 수명을 획기적으로 늘렸다.
리튬메탈전지는 리튬이온 배터리의 핵심소재 중 하나인 흑연 음극을 리튬메탈로 대체한 배터리로, 음극재의 무게와 부피를 크게 줄여 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 하지만 리튬메탈전지는 수명과 안정성에 한계가 있다. 특히 덴드라이트(Dendrite) 현상으로 인해 급속 충전 조건에서 재충전이 어렵다는 단점이 있다.
이에 연구팀은 급속충전시 덴드라이트 형성의 근본적 원인이 리튬메탈 표면에서의 불균일한 계면 응집반응 때문임을 규명하고, 이 문제를 해결할 수 있는 응집 억제형 신규 액체 전해액을 세계 최초로 개발했다. 이 액체 전해액은 리튬이온(Li⁺)과의 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 리튬 계면 상의 불균일성을 최소화하며, 급속충전할 때도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다.
이 기술은 높은 에너지밀도(Energy Density)를 유지하면서도 기존 리튬메탈전지 한계로 지적되던 느린 충전 속도 문제를 극복, 급속충전에서도 안정적인 구동을 가능하게 한다. 이를 통해 충전속도를 12분까지 단축할 수 있어 리튬메탈전지의 상용화를 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
이번 기술은 지난 2023년 발표된 '저부식성 붕산염-피란(borate-pyran) 액체 전해액 기반 리튬메탈전지'의 후속 연구다. 이번 연구는 방전 효율과 에너지 밀도 개선은 물론 리튬메탈전지의 난제로 꼽히던 '충전 속도'에서 진일보했다는 점에서 의미가 깊다.
KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수는 "이번 연구는 계면 구조에 대한 이해를 통해 리튬메탈전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가 됐고 리튬메탈전지가 전기차에 도입되기 위한 가장 큰 장벽을 넘어섰다"라고 평가했다.
이번 연구결과는 '네이처 에너지(Nature Energy)'를 통해 발표됐다.
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