[미디어펜=박재훈 기자]LG에너지솔루션과 KAIST(이하 카이스트)가 공동으로 연구를 진행하고 있는 FRL(프론티어 리서치 래버토리) 연구팀이 차세대 배터리로 주목받고 있는 리튬메탈전지 충전 속도를 혁신적으로 단축할 수 있는 기술 개발에 성공했다고 4일 밝혔다. 

이번 기술은 1회 충전에 800㎞ 이상 주행, 누적 주행거리 30만 ㎞ 이상의 수명을 확보하면서 충전 시간을 12분까지 단축할 수 있다.

또한 연구팀은 리튬메탈전지 연구 결과를 세계적인 학술지 네이처 에너지에 게재했다. LG에너지솔루션과 카이스트는 지난 2021년 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 공동연구센터 FRL를 설립해 산학연 네트워크를 강화해오고 있다. 또한 이후 독보적인 연구 성과를 발표하고 있다. 

이번 기술은 지난 2023년 발표해 ‘네이처 에너지’에 게재된 ‘저부식성 붕산염-피란 액체 전해액 기반 리튬메탈전지’의 후속 연구다. 방전 효율과 에너지 밀도 개선과 함께 리튬메탈전지의 해결과제인 충전 속도에서도 유의미한 연구 결과를 제시했다.

리튬메탈전지는 리튬이온 배터리의 핵심 소재 중 하나인 흑연 음극을 리튬메탈로 대체하는 배터리다. 음극재의 무게와 부피를 크게 줄일 수 있어 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있다는 것이 특징이다. 실제 리튬메탈전지를 통해 고성능 전기차의 평균 주행거리를 600㎞에서 800㎞ 이상으로 향상시킬 수 있다.

하지만 리튬메탈전지는 수명과 안정성 확보를 어렵게 만드는 덴드라이트 문제가 있다. 덴드라이트 현상은 급속 충전에서 더욱 많이 발생해 배터리 내부 단락을 유발할 수 있다.

이에 연구팀은 급속 충전 시 덴드라이트 형성의 근본적 원인이 리튬메탈 표면에서의 불균일한 계면 응집반응 때문이라는 것을 밝혀냈다. 아울러 문제를 해결할 수 있는 응집 억제형 신규 액체 전해액을 세계 최초로 개발했다.

해당 기술은 높은 에너지밀도를 유지하면서도 기존 리튬메탈전지 한계로 지적되던 느린 충전 속도 문제를 극복하고 급속 충전에서도 안정적인 구동을 가능하게 한다. 이를 통해 충전 속도를 12분까지 단축할 수 있어 리튬메탈전지의 상용화를 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

또한 이번 기술 개발은 차세대 배터리 설루션을 앞당긴 것으로 경쟁이 격화되고 있는 이차전지 시장에서 경쟁력을 더욱 구축하는 계기가 될것으로 기대된다.

김제영 LG에너지솔루션 CTO 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.

김희탁 카이스트 생명화학공학과 교수는 “이번 연구는 계면 구조에 대한 이해를 통해 리튬메탈전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가 됐고 리튬메탈전지가 전기차에 도입되기 위한 가장 큰 장벽을 넘어섰다”라고 평가했다.