차세대 배터리 기술은 리튬 이온(Lithium-Ion Battery)의 한계를 극복하여 더 높은 에너지 밀도, 안전성, 수명, 빠른 충전 속도를 목표로 개발되고 있다. 차세대 배터리 기술로는 리튬 메탈(Lithium-Metal Battery), 고체 전해질(Solid-State Battery), 리튬 황(Lithium-Sulfur Battery) 등이 주목받고 있다.

리튬 이온과 리튬 메탈 비교 (이미지=더THE인더스트리 신문)

△ 리튬 메탈 전지

ㅣ 리튬 이온 배터리(Lithium-ion battery)의 음극 소재인 흑연을 리튬 메탈(Lithium metal)로 대체하는 배터리다.

ㅣ 리튬 메탈은 흑연보다 훨씬 가벼우면서 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있어, 음극재의 무게와 부피를 크게 줄일 수 있다. 더 높은 용량과 긴 사용 시간을 제공할 수 있다는 장점 때문에 고성능 기기에 적합한 차세대 배터리로 주목받고 있다.

ㅣ 리튬 메탈은 반응성이 높아 덴드라이트(Dendrite, 나뭇가지 모양의 금속 성장)가 형성될 수 있어 단락이나 화재 위험이 있다.

ㅣ 리튬 이온 전지는 에너지는 적지만 꾸준히 잘 달리기 때문에 믿고 오래 쓸 수 있는 안정적인 마라톤 선수에, 리튬 메탈 전지는 에너지는 강력하지만, 아직 안정성과 지구력(수명)이 부족하므로 엄청난 힘을 가진 단거리 선수에 비유할 수 있다.

리튬메탈 전지 신기술 (이미지=LG에너지솔루션)

LG에너지솔루션과 KAIST가 공동으로 차세대 배터리로 주목받는 리튬 메탈 전지(Lithium Metal Battery) 충전 속도를 혁신적으로 단축할 수 있는 기술 개발에 성공했다.

1회 충전에 800km 이상 주행, 누적 주행거리 30만km 이상의 수명 확보, 충전 시간 12분까지 단축할 수 있는 기술로, 저명 학술지인 ‘네이처 에너지(Covariance of interphasic properties and fast chargeability of energy-dense lithium metal batteries_리튬 메탈 전지의 특성 및 고속 충전 가능성)’에 게재됐다.

게재 논문 (이미지=Nature Enegy)

이 기술은 지난 2023년 발표해 ‘네이처 에너지’에 게재된 ‘Borate–pyran lean electrolyte-based Li-metal batteries with minimal Li corrosion_저부식성 붕산염-피란 액체 전해액 기반 리튬 메탈 전지’의 후속 연구다. 방전 효율과 에너지 밀도 개선은 물론 리튬 메탈 전지의 난제로 꼽히던 ‘충전 속도’에서 진일보한 연구 결과를 제시했다는 점에서 의미가 깊다.

리튬 메탈 전지의 상용화를 위해서는 안정성과 수명 문제를 해결해야 한다. LG엔솔-KAIST는 급속 충전 시 덴드라이트 형성의 근본적 원인이 리튬 메탈 표면에서의 불균일한 계면 응집반응 때문임을 규명하고, 이 문제를 해결할 수 있는 응집 억제형 신규 액체 전해액을 ‘세계 최초’로 개발했다.

신규 액체 전해액은 리튬 이온(Li⁺)과의 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 리튬 계면 상의 불균일성을 최소화하며, 급속 충전 시에도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다.

이 기술은 높은 에너지밀도(Energy Density)를 유지하면서도 기존 리튬 메탈 전지 한계로 지적되던 ‘느린 충전 속도’ 문제를 극복, 급속 충전에서도 안정적인 구동을 가능하게 한다. 이를 통해 충전 속도를 12분까지 단축할 수 있어 리튬 메탈 전지의 상용화를 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.