[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 리튬금속(Lithium Metal) 배터리의 짧은 수명과 화재위험을 극복할 수 있는 기술을 국내 연구진이 확보해 차세대 배터리 기술을 선점하게 됐다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)은 생명화학공학과 최남순 교수팀과 신소재공학과 홍승범 교수팀, 고려대학교 곽상규 교수팀이 협력해 리튬금속 배터리의 가장 큰 난제인 '계면 불안정성'을 전자구조 수준에서 해결하는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

차세대 배터리로 주목받고 있는 리튬금속 배터리는 충전과정에서 바늘 모양 결정인 '덴드라이트'가 자라 수명을 단축시키고 화재 위험을 높이는 문제가 있어 상용화에 어려움을 겪고 있다.

계면 불안정성은 충·방전과정에서 전극과 전해질이 맞닿는 경계면이 고르게 유지되지 못하는 현상이다. 이로 인해 리튬이 바늘처럼 자라나는 덴드라이트가 형성되고 이는 배터리 수명 저하와 내부 단락, 화재 위험으로 이어진다.

이번에 공동 연구팀은 배터리 전해질에 '티오펜(Thiophene)'을 첨가해 전극표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 지능형 보호막을 구현했다. 이 보호막은 전자구조 스스로가 재배열되는 특징을 갖고 있어 리튬 이온이 이동할 때마다 보호막 내부의 전하분포가 유연하게 변하며 최적의 통로를 만들어준다.
 
이를 통해 연구팀은 고속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하고 배터리 수명을 크게 늘리는 데 성공했다.

또 실시간 원자간력 현미경(In-situ AFM)을 활용해 나노미터 수준에서 배터리 내부를 직접 관찰한 결과, 높은 전류 조건에서도 리튬이 표면에 균일하게 쌓이고 제거되는 것을 확인했다. 기계적 안정성이 높다는 의미다.

이번 기술은 리튬 인산철(LiFePO4), 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈-코발트-망간 산화물(LiNixCoyMn1-x-yO2) 등 현재 널리 쓰이는 다양한 배터리 양극소재에 사용할 수 있어 기존 전기차 배터리 시스템 전반에 폭넓게 적용 가능, 산업 전반에 미칠 파급효과가 클 것으로 기대된다.

특히 이번 성과는 리튬금속 배터리 상용화를 가로막던 최대 장벽인 초고속(12분 내 빠른 충전과 8mA/㎠ 이상의 고전류 구동 동시 구현) 충전 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 돌파구를 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.

초장거리 전기차는 물론 도심 항공 모빌리티(UAM), 차세대 고밀도 에너지 저장 시스템 등 고성능 배터리가 필요한 다양한 미래 산업 분야에 활용될 것으로 기대된다. 연구결과는 재료·에너지 분야 세계적 학술지 '인포맷(InfoMat)'에 지난 2일 게재됐다.

최남순 교수는 "이번 연구는 단순한 소재 개선이 아니라 전자 구조를 설계해 배터리의 근본 문제를 해결한 성과"라며 "고속 충전과 긴 수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리의 핵심 기반 기술이 될 것"이라고 밝혔다.


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