[더테크 뉴스] LG에너지솔루션(이하 LG엔솔)과 김희탁 카이스트 생명화학공학과 교수 연구팀이 차세대 배터리로 주목받고 있는 리튬메탈전지의 성능을 대폭 개선한 기술개발에 성공했다.

LG엔솔과 카이스트 공동 연구팀은 리튬이온전지보다 50% 높은 수준인 900km 주행, 400회 이상 재충전이 가능한 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발에 성공했다고 7일 밝혔다. 이는 리튬메탈전지의 대표적인 난제 해결로 액체 전해액 기반의 리튬메탈전지 구현의 가능성을 가시화했다.

리튬메탈전지는 기존 흑연계 음극재를 리튬메탈로 대체하면서 기존 리튬이온전지보다 음극재의 무게와 부피를 크게 줄일 수 있다. 이를 통해 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있어 대표적인 차세대 배터리 중 하나로 꼽힌다.

정근창 LG엔솔 미래기술센터장(부사장)은 “카이스트와 함께 리튬메탈전지의 대표적인 난제를 해결해 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있었다”며 “앞으로도 공동연구센터와 적극적인 협력을 통해 차별화된 기술력을 바탕으로 차세대 배터리의 상용화에 앞장서 나가겠다”고 말했다.

기존 리튬메탈전지의 경우, 음극 표면에 발생하는 덴드라이트와 액체 전해액에 의한 지속적인 부식이 배터리의 수명과 안정성을 위협하는 한계로 지적됐다. 공동 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘붕산염-피란(borate-pyran)기반 액체 전해액’을 세계 최초로 적용했다.

새로운 전해액은 충방전 시 리튬메탈 음극 표면에 형성되는 나노미터 두께의 고체 전해질 층을 재구성해 전해액과 리튬메탈 음극 간의 부식 반응을 차단한다. 이를 통해 리튬 메탈전지의 충방전 효율을 개선하고 1회 충전에 900km 주행이 가능할 만큼 에너지밀도를 높였다. 기존 고성능 전기차의 리튬이온전지의 주행거리인 600km보다 50% 증가한 수준이다.

아울러 400회 이상 재충전이 가능할 만큼 수명 안정성을 확보했다. 이번 연구에 구현된 리튬메탈전지는 전고체전지와 달리 구동시 높은 온도와 압력을 요구하지 않아 간소화된 전지 시스템 설계도 가능하다.

김희탁 카이스트 생명화학공학과 교수는 “이번 연구는 지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액을 기반으로 한 리튬메탈전지의 구현 가능성을 가시화한 연구”라고 연구의 의미를 강조했다.

이번 연구 결과는 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 11월 23일자 온라인 게재되며 그 성과를 인정받았다.

한편, LG엔솔과 카이스트는 차세대 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 2021년 공동연구센터 FRL(Frontier Research Laboratory)를 설립했다. FRL은 LG엔솔이 국내외 유수 대학 및 기관들과 함께 차세대 배터리 관련 연구를 진행하는 공동연구센터다.

LG엔솔은 카이스트 외에도 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD)과 독일 뮌스턴 대학, 헬름홀츠 연구소 등과 FRL을 운영하고 있다.