“1회 충전에 900㎞ 주행”…LG엔솔·KAIST, 리튬메탈전지 원천기술 확보

LG에너지솔루션과 한국과학기술원(KAIST) 공동 연구팀이 차세대 배터리로 주목받는 리튬메탈전지의 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술 개발에 성공했다.

공동 연구팀은 리튬이온전지 대비 주행 거리를 약 50% 늘리고, 충·방전 효율과 수명을 대폭 개선하는 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발에 성공했다고 7일 밝혔다. 연구 논문은 세계적인 과학 학술지 ‘네이처 에너지’에도 실렸다.

리튬메탈전지는 흑연계 음극재를 리튬메탈로 대체해 리튬이온전지보다 음극재의 무게와 부피를 대폭 줄인 배터리다. 에너지 밀도와 주행 거리를 크게 향상시킬 수 있어 차세대 배터리 중 하나로 꼽힌다.

다만 기존 리튬메탈전지는 덴드라이트 현상으로 배터리의 수명과 안정성을 보장하지 못하는 문제가 있었다. 덴드라이트는 리튬이 음극 표면에 적체되며 나뭇가지 모양의 결정체를 형성하는 것을 말한다. 액체 전해엑에 의한 지속적인 부식 문제도 한계로 지적됐다.

▲LG에너지솔루션과 KAIST 공동 연구팀이 개발한 리튬메탈전지 관련 원천기술 (제공=LG에너지솔루션)

연구팀은 ‘붕산염-피란 기반 액체 전해액’을 세계 최초로 적용해 이 문제를 해결했다. 해당 전해액은 충·방전 시 음극 표면에 형성되는 나노미터 두께의 고체 전해질 층을 치밀한 구조로 재구성해 전해액과 리튬메탈 음극 간 부식 반응을 차단한다.

이를 통해 리튬메탈전지의 충·방전 효율을 향상시키는 것은 물론, 1회 충전에 900km 주행이 가능할 만큼 에너지 밀도를 높일 수 있다. 고성능 전기차에 적용되는 리튬이온전지의 주행 거리는 약 600km 수준이다. 400회 이상 재충전이 가능할 만큼 수명 안정성 확보도 가능하다.

또한 전고체전지와 달리 구동 시 높은 온도와 압력이 요구되지 않아 전기차의 주행 거리를 높이기 위한 간소화된 전지 시스템 설계 역시 가능하다.

이번 연구는 LG에너지솔루션과 KAIST가 차세대 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 2021년 설립한 공동연구센터 ‘FRL(Frontier Research Laboratory)’이 약 2년 간 연구를 이어온 끝에 거둔 성과다.

정근창 LG에너지솔루션 미래기술센터장 부사장은 “KAIST와 함께 액체 전해액을 사용하는 리튬메탈전지의 대표적인 난제를 해결해 상용화에 한 걸음 더 다가설 수 있게 됐다는 데 의의가 있다”며 “FRL과의 적극적인 협력을 통해 차별화된 기술력을 바탕으로 차세대 배터리의 상용화에 앞장서 나가겠다”고 말했다.

김희탁 KAIST 생명화학공학과 교수는 “이번 연구는 지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액을 기반으로 하는 리튬메탈전지의 구현 가능성을 가시화한 연구”라고 평가했다.