KAIST가 리튬금속 배터리 전해질에 '티오펜'을 첨가해 수명 저하 문제를 해결한 기술을 AI로 생성한 이미지. KAIST 제공.


국내 연구진이 차세대 배터리로 주목받는 리튬금속 배터리의 최대 걸림돌인 수명 저하와 화재 위험을 동시에 해결할 수 있는 기술을 개발했다. 배터리 전해질에 첨가제를 넣어 리튬이온이 통과할 수 있는 통로를 만들어 배터리 수명 단축의 원인을 제거한 것이다.
앞으로 초장거리 전기차뿐 아니라 도심 항공 모빌리티(UAM), 차세대 고밀도 에너지저장시스템 등 고성능 배터리가 필요한 다양한 산업 분야에 활용할 수 황금성슬롯 있을 전망이다.
KAIST는 최남순 생명화학공학과 교수와 홍승범 신소재공학과 교수, 곽상규 고려대 교수팀이 공동으로 리튬금속 배터리의 가장 큰 난제인 '계면 불안정성'을 전자 구조 수준에서 해결하는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
리튬금속전지는 흑연 대신 리튬금속을 음극으로 사용하는 차세대 이차전지다. 기존 흑연 음극 릴게임몰메가 의 리튬이온전지보다 이론적으로 10배 많은 전기를 저장할 수 있어 전고체전지, 리튬-황전지 등 고에너지밀도 이차전지 핵심소재로 주목받고 있다.
계면 불안정성은 배터리 충·방전 과정에서 전극과 전해질이 맞닿는 경계면이 고르게 유지되지 못하는 현상이다. 이 때문에 금속 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하는 '덴드라이트' 현상이 생겨 배터리 수명이 바다이야기2 떨어지고, 셀 단락과 관련된 열폭주로 인해 화재·폭발 위험으로 이어질 수 있다.



티오펜 첨가제의 전자 구조 설계 및 지능형 고체 전해질 계면층의 극성 전환 메커니즘 개념도. KAIST 제공.


연구팀은 배터리 전해 신천지릴게임 질에 유기화합물인 '티오펜'을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 보호막을 구현했다. 마치 교통량에 따라 차로를 조정하는 것처럼, 리튬 이온이 이동할 때마다 보호막 내부의 전하 분포가 유연하게 변하며 최적의 통로를 만들어 준다.
연구팀은 전자의 움직임을 다루는 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 이같은 원리를 온라인골드몽 규명하고, 기존 상용 첨가제보다 티오펜의 안정성이 훨씬 뛰어남을 확인했다.
성능 실험 결과, 티오펜 첨가 전해질을 적용한 리튬금속 배터리는 고속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장을 억제하고, 배터리 수명을 크게 늘렸다.
또 실시간 원자간력 현미경(AFM)으로 배터리 내부를 관찰한 결과, 높은 전류 조건에서도 리튬이 표면에 균일하게 쌓이고 제거되는 것을 확인했다.리튬금속 배터리 상용화의 최대 걸림돌인 12분 내 빠른 충전과 ㎠당 8㎃ 이상의 고전류 구동을 동시에 구현해 충전 저하 문제를 해결할 수 있는 돌파구를 제시했다는 점에서 의미가 크다고 연구팀은 강조했다.
이 기술은 리튬인산철, 리튬 코발트 산화물 등 널리 쓰이는 다양한 배터리 양극 소재에 적용할 수 있어 기존 전기차 배터리 시스템에 폭넓게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
최남순 KAIST 교수는 "단순한 소재 개선이 아닌 전자 구조를 설계해 배터리의 근본 문제를 해결한 성과"라며 "고속 충전과 긴 수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리의 핵심 기반 기술로 쓰일 것"이라고 말했다.
연구결과는 재료·에너지 분야 국제 학술지 '인포맷' 지난 2일자에 실렸다.
이준기 기자 bongchu@dt.co.kr