LG에너지솔루션-KAIST FRL 연구팀의 신규 리튬메탈전지 기술. /사진=LG에너지솔루션


LG에너지솔루션과 KAIST 공동 연구팀인 FRL이 리튬메탈전지 충전 속도를 혁신적으로 단축할 수 있는 기술 개발에 성공했다.


FRL 연구팀은 4일 1회 충전에 800km 이상 주행, 누적 주행거리 30만km 이상 수명을 확보하면서 충전 시간을 12분까지 단축할 수 있는 리튬메탈전지 연구 결과를 '네이처 에너지'에 게재했다고 4일 밝혔다.

LG에너지솔루션과 KAIST는 지난 2021년 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 공동연구센터 FRL를 설립한 이후 다양한 연구 성과를 발표하고 있다.


이번 기술은 지난 2023년 발표해 '네이처 에너지'에 게재된 '저부식성 붕산염-피란 액체 전해액 기반 리튬메탈전지' 후속 연구다. 방전 효율과 에너지 밀도 개선은 물론 리튬메탈전지의 난제로 꼽히던 '충전 속도'에서 진일보한 연구 결과를 제시했다.

리튬메탈전지는 리튬이온 배터리 핵심 소재 중 하나인 흑연 음극을 리튬메탈로 대체하는 배터리다. 음극재 무게와 부피를 크게 줄일 수 있어 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있다.


그러나 리튬메탈전지는 수명과 안정성 확보를 어렵게 만드는 '덴드라이트' 문제가 존재해왔다. 덴드라이트 현상은 급속 충전 시 더욱 심각하게 발생해 배터리의 내부 단락을 유발할 수 있어, 급속 충전 조건에서 재충전 가능한 리튬메탈전지 구현이 어려웠었다.

이에 FRL 공동연구팀은 급속 충전 시 덴드라이트 형성의 근본적 원인이 리튬메탈 표면에서의 불균일한 계면 응집반응 때문임을 규명하고, 해당 문제를 해결할 수 있는 응집 억제형 신규 액체 전해액을 세계 최초로 개발했다.


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

높은 에너지밀도를 유지하는 동시에 기존 리튬메탈전지 한계로 지적되던 '느린 충전 속도' 문제도 극복, 급속 충전에서의 안정적인 구동을 가능케 한다. 이를 통해 충전 속도를 12분까지 단축할 수 있어 리튬메탈전지의 상용화를 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

김제영 LG에너지솔루션 CTO 전무는 "LG에너지솔루션과 KAIST가 FRL을 통해 이어온 지난 4년간의 협력이 유의미한 성과를 창출하고 있다"며 "앞으로도 산학 협력을 더욱 강화해 기술적 난제를 해결하고 차세대 배터리 분야에서도 최고의 성과를 창출해 나가겠다"고 말했다.