LG에너지솔루션과 KAIST가 공동으로 운영하는 Future Research Lab(FRL) 연구팀이 리튬 메탈 전지의 충전 속도를 획기적으로 단축할 수 있는 기술을 개발했다.

이번 성과는 세계적 학술지 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재되며, 차세대 배터리 상용화에 한 걸음 다가섰다는 평가다.

 LG에너지솔루션-KAIST FRL 연구팀의 신규 리튬메탈전지 기술/이미지=LG에너지솔루션 제공

연구팀은 4일, 1회 충전으로 800km 이상 주행이 가능하고 누적 주행거리 30만km 이상의 수명을 확보하면서도 충전 시간을 12분으로 단축한 리튬 메탈 전지 기술을 개발했다고 밝혔다.

리튬 메탈 전지는 흑연 음극을 리튬 메탈로 대체해 에너지 밀도와 주행거리를 크게 늘릴 수 있는 차세대 전지다. 그러나 충전 과정에서 수지상 구조의 리튬이 불규칙하게 성장하는 ‘덴드라이트’ 현상이 발생해 수명과 안정성 확보가 어려웠다. 특히 급속 충전 시 내부 단락을 유발하는 것이 상용화의 가장 큰 걸림돌로 꼽혀왔다.

FRL 연구팀은 이 문제의 근본 원인이 리튬 금속 표면의 불균일한 계면 응집 반응임을 규명하고, 이를 억제할 수 있는 신규 액체 전해액을 세계 최초로 개발했다. 해당 전해액은 리튬 이온과 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 계면 불균일성을 최소화하고, 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제한다.

이로써 리튬 메탈 전지는 높은 에너지 밀도를 유지하면서도 충전 속도를 12분까지 단축, 급속 충전 조건에서도 안정적으로 구동될 수 있게 됐다.

이번 성과는 지난 2023년 네이처 에너지에 게재된 ‘저부식성 붕산염-피란 액체 전해액 기반 리튬 메탈 전지’ 연구의 후속 결과다. 2021년 FRL 설립 이후 이어온 4년간의 산학 협력이 구체적 성과로 이어진 셈이다.

LG에너지솔루션 김제영 CTO는 “KAIST와의 협력이 차세대 배터리 분야에서 의미 있는 성과를 창출하고 있다”며, “앞으로도 산학연 협력을 강화해 기술 난제를 해결하고 상용화를 가속하겠다”고 말했다.

KAIST 김희탁 교수는 “계면 구조에 대한 이해를 기반으로 리튬 메탈 전지의 가장 큰 장벽이던 충전 속도를 극복했다”며, “전기차 상용화를 위한 기술적 토대가 마련됐다”고 강조했다.

한편 LG에너지솔루션은 KAIST 외에도 미국 UC샌디에이고, 독일 뮌스턴 대학, 헬름홀츠 연구소 등 세계 유수 기관과 공동 연구를 이어가며 차세대 배터리 기술 확보에 속도를 내고 있다.

[경제엔미디어=김재호 기자]