LG에너지솔루션과 카이스트(KAIST)가 차세대 배터리로 꼽히는 리튬메탈전지의 충전 속도를 획기적으로 단축할 수 있는 기술 개발에 성공했다.

양측 연구팀은 1회 충전에 800km 이상 주행, 누적 주행거리 30만km 이상의 수명을 확보하면서 충전 시간을 12분까지 단축할 수 있는 리튬메탈전지 연구 결과를 세계적인 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 게재했다고 4일 밝혔다.

LG에너지솔루션과 KAIST는 지난 2021년 리튬메탈전지 원천기술 확보를 위해 공동연구센터 '프론티어 리서치랩(FRL)'을 설립한 이후 꾸준히 연구 성과를 발표해왔다. 이번 성과는 2023년 동일 학술지에 게재된 '저부식성 붕산염-피란(borate-pyran) 액체 전해액 기반 리튬메탈전지'의 후속 연구다. 당시 방전 효율과 에너지 밀도를 개선한 데 이어 이번에는 리튬메탈전지의 가장 큰 난제였던 충전 속도 문제를 진일보시켰다는 점에서 의미가 크다.

리튬메탈전지는 기존 리튬이온배터리의 흑연 음극을 리튬메탈로 대체해 무게와 부피를 줄이고 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 늘릴 수 있는 차세대 배터리로 주목받아왔다. 실제 이를 적용하면 고성능 전기차 주행거리를 평균 600km에서 800km 이상으로 향상시킬 수 있다. 그러나 충전 과정에서 발생하는 '덴드라이트'(dendrite·나뭇가지 모양의 결정) 현상으로 안정성과 수명 확보가 어려웠고, 특히 급속 충전 시 덴드라이트가 심화돼 내부 단락을 유발하는 것이 상용화의 최대 걸림돌로 꼽혀왔다.

FRL 연구진은 급속 충전에서 덴드라이트가 형성되는 근본 원인이 리튬메탈 표면의 불균일한 계면 응집반응 때문임을 규명하고, 이를 해결할 수 있는 응집 억제형 신규 액체 전해액을 세계 최초로 개발했다. 새 전해액은 리튬 이온과의 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 계면 불균일성을 최소화하며, 급속 충전 상황에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다.

이 기술은 높은 에너지 밀도를 유지하면서도 기존 리튬메탈전지의 약점이던 느린 충전 속도를 극복해 급속 충전에서도 안정적인 구동을 가능하게 한다. 특히 충전 시간이 12분으로 단축되면서 차세대 전기차 배터리 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 김제영 LG에너지솔루션 전무는 "LG에너지솔루션과 KAIST가 FRL을 통해 이어온 지난 4년간의 협력이 유의미한 성과를 창출하고 있다"며 "앞으로도 산학 협력을 더욱 강화하여 기술적인 난제를 해결하고 차세대 배터리의 분야에서도 최고의 성과를 창출해 나가겠다"고 말했다.