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LG에너지솔루션과 한국과학기술원(KAIST)은 차세대 배터리인 ‘리튬메탈전지’로 1회 충전에 900㎞를 주행할 수 있는 기술 개발에 성공했다고 7일 밝혔다.
LG에너지솔루션과 KAIST는 차세대 리튬메탈전지 관련 원천기술 개발을 위해 2021년 공동연구센터 FRL(Frontier Research Laboratory)를 설립했다.
공동 연구팀은 리튬이온전지 대비 주행거리를 약 50% 늘리고, 충·방전 효율과 수명을 대폭 개선할 수 있는 리튬메탈전지 관련 원천기술을 개발했다. 이번 연구 논문은 세계적인 과학 학술지 ‘네이처 에너지’에 게재됐다.
리튬메탈전지는 흑연계 음극재 대신 리튬메탈을 사용해 기존 리튬이온전지보다 음극재 무게와 부피를 크게 줄일 수 있다. 이를 통해 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상할 수 있어 대표적 차세대 배터리 중 하나로 꼽힌다.
공동 연구팀은 기존 리튬메탈전지에서 발생하는 덴드라이트(Dendrite) 현상과 액체 전해액에 의한 부식 문제를 해결하기 위해 ‘붕산염-피란(borate-pyran) 기반 액체 전해액’을 세계 최초로 적용했다.
덴드라이트는 리튬이온 배터리를 충전하는 과정에서 음극 표면에 쌓이는 뾰족한 나뭇가지 모양의 리튬 이온 결정체를 말한다. 배터리 수명과 안전성을 위협하는 한계로 지적되어 왔다.
‘붕산염-피란 기반 액체 전해액’은 충·방전시 리튬메탈 음극 표면에 형성되는 수 나노미터 두께의 고체 전해질 층을 치밀한 구조로 재구성함으로써 전해액과 리튬메탈 음극 간 부식 반응을 차단하는 역할을 한다.
리튬메탈전지 충·방전 효율을 향상하는 것은 물론 1회 충전에 900㎞ 주행이 가능할 만큼 에너지밀도(단위 부피 또는 단위 무게 당 지니고 있는 에너지의 양)를 높일 수 있다. 기존 고성능 전기차에 적용되는 리튬이온전지 주행거리 약 600㎞보다 50% 높은 수준이다. 400회 이상 재충전이 가능할 만큼 수명 안정성 확보도 가능하다.
이번 연구에서 구현된 리튬메탈전지는 전고체 전지와는 달리 구동시 높은 온도와 압력이 요구되지 않아 전기차 주행거리를 높이기 위한 간소화된 전지 시스템 설계가 가능하다.
정근창 LG에너지솔루션 미래기술센터장 부사장은 “액체 전해액을 사용하는 리튬메탈전지의 대표적인 난제를 해결해 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있게 되었다는 데 의의가 있다”고 했다.
한편 LG에너지솔루션은 KAIST 외에도 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD), 독일 뮌스턴 대학, 헬름홀츠 연구소 등과 FRL을 운영하고 있다.
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