LG에너지솔루션과 한국과학기술원(KAIST) 공동 연구팀이 리튬메탈전지(Lithium metal battery) 성능 확대 연구를 통해 원천기술 개발 등 유의미한 결과를 얻었다. 리튬메탈전지는 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있어 차세대 배터리 중 하나로 손꼽힌다.

LG에너지솔루션은 리튬이온전지 대비 주행거리가 약 50% 길고, 충방전 효율 및 수명도 대폭 개선 가능한 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발에 성공했다고 7일 밝혔다. 리튬메탈전지는 기존 흑연계 음극재를 리튬메탈로 대체해 리튬이온전지 대비 음극재 무게와 부피를 줄일 수 있는 것이 특징이다. 하지만 리튬메탈전지는 음극 표면에 발생하는 '덴드라이트'(Dendrite)와 액체 전해액에 의한 지속적인 부식(Corrosion) 등 문제로 배터리의 수명 안전성의 한계가 지적돼 왔다.

덴드라이트는 금속 표면에 비정상적으로 자라는 나뭇가지 형태의 결정(수지상 결정)을 말한다. 배터리를 충전할 때 음극에 저장되는 리튬이온이 극의 표면에 오랜 기간 쌓여 나타난다. 이는 배터리 노화를 앞당기고 폭발 등 문제를 유발할 수 있다.

LG에너지솔루션과 KAIST 공동 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 세계 최초로 '붕산염-피란(borate-pyran)기반 액체 전해액'을 적용했다. 이 전해액은 충방전시 리튬메탈 음극 표면에 형성되는 수 나노미터 두께의 고체 전해질 층(SEI)을 치밀한 구조로 재구성해 전해액과 리튬메탈 음극 간 부식 반응을 최대한 차단한다.

이를 통해 충방전 효율 향상은 물론, 1회 충전에 주행거리 최대 900km까지 에너지밀도를 향상시킬 수 있다. 기존 고성능 전기차에 적용되는 리튬이온전지 주행거리 약 600km보다 50% 높은 수준이다.

뿐만 아니라 400회 이상 재충전이 가능할 만큼 수명 안정성 확보도 가능하다. 이번 연구에서 구현된 리튬메탈전지는 전고체전지와 달리 구동시 높은 온도와 압력이 요구되지 않는다. 전기차 주행거리를 높이기 위해 간소화된 전지 시스템 설계도 가능하다.

LG에너지솔루션과 KAIST는 차세대 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 2021년 공동연구센터 'FRL'(Frontier Research Laboratory)를 설립, 2년여 동안 연구를 이어온 끝에 성과를 이뤘다.

이번 연구 결과는 세계적인 과학 학술지 '네이처 에너지'(Nature Energy)에 논문이 게재되며 그 성과를 인정받았다. 해당 논문은 네이처 에너지 : 2023년 Clarivate Analytics의 'Journal impact factor' 부문에서 에너지 분야 157개 학술지 중 1위, 총 2만1000여 개 학술지 중 23위를 기록했다.

정근창 LG에너지솔루션 미래기술센터장 부사장은 "KAIST와 함께 액체 전해액을 사용하는 리튬메탈전지의 대표적 난제를 해결해 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있게 됐다는데 의의가 있다"며 "앞으로도 FRL과 적극적인 협력을 통해 차별화된 기술력을 바탕으로 차세대 배터리의 상용화에 앞장서 나가겠다"고 말했다.

김희탁 KAIST 생명공학과 교수는 "이번 연구는 지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액을 기반으로 하는 리튬메탈전지 구현 가능성을 가시화한 연구"라고 설명했다. 논문 제 1저자인 권혁진 박사과정은 "리튬금속 음극 계면의 나노스케일 제어를 통해 리튬메탈전지 한계를 극복할 수 있음을 보였다"고 전했다.