KAIST "리튬금속 배터리 상용화 걸림돌 해결 '열쇠' 찾았다"

리튬금속(Lithium Metal) 배터리를 상용화하는 데 가장 큰 걸림돌로 여겨지던 '덴드라이트' 문제를 해결할 핵심 기술이 국내에서 개발됐다. 리튬금속 배터리는 기존 리튬이온(Lithium-ion) 배터리의 용량 한계를 뛰어넘어 더 멀리 그리고 더 오래 달릴 수 있는 차세대 배터리로 주목받는다. 하지만 충전 과정에서 바늘 모양 결정의 덴드라이트가 자라면서 수명을 단축, 화재 위험을 높이는 문제가 그간 리튬금속 배터리의 상용화를 더디게 했다.

KAIST는 생명화학공학과 최남순 교수팀과 신소재공학과 홍승범 교수팀, 고려대 곽상규 교수팀이 협력해 리튬금속 배터리의 '계면 불안정성'을 전자 구조 수준에서 해결할 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

인공지능(AI) 생성 이미지. KAIST

계면 불안정성은 충전과 방전 사이에서 전극과 전해질이 맞닿는 경계면이 고르게 유지되지 못해 발생하는 현상이다. 이는 리튬이 바늘처럼 자라는 덴드라이트 형성의 원인이 돼 배터리 수명 저하와 내부 단락, 화재 위험을 야기한다. 리튬금속 배터리 상용화를 가로막는 근본적인 원인이다.

공동연구팀은 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 배터리 전해질에 '티오펜(Thiophene)'을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있게 할 '지능형 보호막'을 구현했다. 이 보호막은 전자 구조가 스스로 재배열되는 특징을 갖는다.

교통량에 따라 차로를 조정하는 스마트 교통 시스템처럼 리튬이온이 이동할 때마다 보호막 내부의 전하 분포가 유연하게 변하며 최적의 통로를 만들어주는 형태다.

공동연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션으로 이 같은 원리를 규명, 기존 상용 첨가제보다 티오펜이 월등한 안정성을 보이는 것을 확인했다.

결과적으로 티오펜을 첨가해 지능형 보호막을 구현했을 때 고속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장이 효과적으로 억제되고 배터리 수명을 늘리는 것이 가능했다는 게 공동연구팀의 설명이다.

(상단 왼쪽부터) KAIST 최남순·홍승범 교수, 고려대 곽상규 교수, (하단 왼쪽부터) KAIST 이정아·조윤한 연구원, 고려대 권성현 박사과정. KAIST

특히 실시간 원자간력 현미경(In-situ AFM)으로 나노미터 수준에서 배터리 내부를 직접 관찰한 결과, 높은 전류 조건에서도 리튬이 표면에 균일하게 쌓이고 제거되는 것을 확인해 기계적 안정성까지 입증됐다고 강조했다.

공동연구팀이 개발한 기술은 리튬 인산철(LiFePO4), 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈-코발트-망간 산화물 (LiNixCoyMn1-x-yO2) 등 그간 널리 쓰이던 각종 배터리 양극 소재에도 사용할 수 있다. 이는 특정 배터리 유형에 한정되지 않고 기존 전기차 배터리 시스템 전반에 폭넓게 적용 가능하다는 것을 의미해 향후 산업 전반에 미치는 파급효과가 클 것으로 기대된다.

최 교수는 "이번 연구는 단순히 소재를 개선한 것이 아니라 전자 구조를 설계해 배터리의 근본 문제를 해결했다는 게 최대 성과"라며 "공동연구팀이 개발한 기술은 고속충전과 긴 수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리의 핵심 기반 기술이 될 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 최남순·홍승범 교수, 이정아·조윤한 연구원이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 성과(논문)는 최근 재료·에너지 분야 학술지 '인포맷(InfoMat)'을 통해서도 소개됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr