[더테크 이승수 기자]  ‘꿈의 배터리’로 불리는 리튬금속 배터리의 상용화를 가로막아온 핵심 난제가 국내 연구진에 의해 해결됐다. 전기차 시장이 본격 확대되면서 더 멀리, 더 오래 달릴 수 있는 고에너지밀도 배터리 수요가 커지는 가운데, 차세대 기술로 주목받던 리튬금속 배터리의 안정성을 근본적으로 개선한 성과다.

KAIST는 24일 생명화학공학과 최남순 교수팀, 신소재공학과 홍승범 교수팀과 고려대학교 곽상규 교수팀이 협력해 리튬금속 배터리의 ‘계면 불안정성’을 전자 구조 수준에서 해결하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

리튬금속 배터리는 기존 리튬이온 배터리 대비 에너지 밀도가 높지만, 충·방전 과정에서 전극과 전해질의 경계면이 불안정해지며 바늘 모양 결정인 ‘덴드라이트’가 성장하는 문제가 있다. 이는 수명 저하와 내부 단락, 화재 위험으로 이어져 상용화의 최대 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 전해질에 ‘티오펜(Thiophene)’을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온 이동을 정밀 제어하는 ‘지능형 보호막’을 형성했다. 이 보호막은 전자 구조가 스스로 재배열되는 특성을 지녀, 리튬 이온 이동에 따라 전하 분포를 유연하게 조정하며 안정적인 통로를 제공한다. 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 작동 원리를 규명했고, 기존 상용 첨가제 대비 우수한 안정성을 확인했다.

그 결과 12분 이내 초고속 충전과 8mA/㎠ 이상의 고전류 구동 환경에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제했다. 이는 통상 4mA/㎠ 수준을 고전류로 평가하는 기존 연구 대비 두 배 이상 높은 조건이다.

또한 실시간 원자간력현미경(In-situ AFM) 분석을 통해 나노미터 수준에서 리튬이 균일하게 증착·제거되는 과정을 확인, 기계적 안정성까지 입증했다.

이번 기술은 리튬 인산철(LFP), 리튬 코발트 산화물(LCO), 니켈·코발트·망간(NCM) 등 다양한 양극 소재에 적용 가능해 기존 전기차 배터리 시스템 전반으로 확장될 수 있다. 초장거리 전기차는 물론 도심항공모빌리티(UAM), 차세대 고밀도 에너지저장장치(ESS) 등 고출력·고안전성이 요구되는 미래 산업 분야에서 활용이 기대된다.

최남순 교수는 “전자 구조 설계를 통해 배터리의 근본 문제를 해결한 성과”라며 “고속 충전과 장수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리의 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.