Lithium Metal Battery Breakthrough: Stable, Fast-Charging with New Additive

리튬금속 배터리는 음극에 금속 리튬(Li)을 사용해 기존 용량 한계를 뛰어넘는 차세대 배터리다. 국내 연구팀이 전해질에 보호 물질을 첨가해 리튬금속 배터리의 불안정성을 해결했다. 실험 결과 실제 전기차 구동 환경과 비슷한 고전류 조건에서도 안정적으로 작동했다.

KAIST는 최남순 생명화학공학과 교수와 홍승범 신소재공학과 교수팀, 곽상규 고려대 교수팀이 협력해 리튬금속 배터리의 가장 큰 난제인 ‘계면 불안정성’을 전자 구조 수준에서 해결하는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다. 연구결과는 2일(현지시간) 국제학술지 ‘인포맷(InfoMat)’에 공개됐다.

계면 불안정성은 배터리 충방전 과정에서 전극과 전해질이 맞닿는 경계면이 고르지 않은 현상이다. 금속 리튬이 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라나는 ‘덴드라이트(수지상결정)’가 형성되기 쉬워 배터리 수명 저하, 화재 위험으로 이어진다.

연구팀은 배터리 전해질에 유기화합물인 ‘티오펜’을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 보호막을 구현했다. 리튬 이온이 이동할 때마다 보호막 내부의 전하 분포가 유연하게 변하며 최적의 통로를 만든다. 교통량에 따라 차로를 조정하는 교통 시스템과 비슷하다.

전해질에 보호 물질을 첨가해 리튬금속 배터리 성능을 향상하는 개요. 인공지능(AI) 생성 이미지. KAIST 제공

연구팀은 전자의 움직임을 다루는 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 원리를 규명하고 티오펜이 기존 상용 첨가제보다 안정성이 높다는 사실을 확인했다.

성능 실험 결과 티오펜 첨가 전해질을 적용한 리튬금속 배터리는 초고속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장이 억제되고 배터리 수명이 늘었다. 

그동안 장벽으로 여겨진 배터리 전극 1제곱센티미터(㎠)당 8밀리암페어(㎃)의 고전류 조건도 구현됐다. 전기차의 고속 충전 및 급가속이나 고출력 주행과 같은 비슷한 조건이다. 전기차와 도심항공모빌리티(UAM), 고밀도 에너지저장시스템 등에서 리튬금속 배터리 상용화를 가속할 기반이 된다는 설명이다.

리튬 인산철, 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈-코발트-망간 산화물 등을 양극재로 사용하는 다양한 상용 배터리에 모두 사용될 수 있어 기존 배터리 시스템 전반에 폭넓게 적용 가능할 것으로도 기대된다.

최 교수는 “단순한 소재 개선이 아니라 전자 구조를 설계해 배터리의 근본 문제를 해결한 성과”라며 “고속 충전, 긴 수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리의 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.

– doi.org/10.1002/inf2.70126