[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 최남순 교수팀과 신소재공학과 홍승범 교수팀, 고려대학교 곽상규 교수팀이 리튬금속 배터리의 상용화를 가로막던 핵심 난제를 해결했다고 24일 밝혔다.

리튬금속 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 높아 차세대 전기차 배터리로 주목받고 있다. 하지만 충전 과정에서 전극 표면에 바늘 모양의 결정인 '덴드라이트'가 형성되면서 배터리 수명이 단축되고 화재 위험이 높아지는 문제가 상용화의 최대 걸림돌로 작용해왔다.

이는 충·방전 과정에서 전극과 전해질이 맞닿는 경계면이 고르게 유지되지 못하는 '계면 불안정성' 때문이다. 덴드라이트가 자라나면 배터리 내부 단락과 화재로 이어질 수 있어 리튬금속 배터리의 안전성 확보가 필수적이다.

연구팀은 배터리 전해질에 '티오펜(Thiophene)'을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 지능형 보호막을 구현했다. 이 보호막은 전자 구조가 스스로 재배열되는 특징을 지닌다. 리튬 이온이 이동할 때마다 보호막 내부의 전하 분포가 유연하게 변하며 최적의 통로를 형성하는 방식이다.

연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 이 원리를 규명했으며, 기존 상용 첨가제보다 훨씬 뛰어난 안정성을 확인했다. 또한 실시간 원자간력 현미경(In-situ AFM)으로 나노미터 수준에서 배터리 내부를 직접 관찰해 높은 전류 조건에서도 리튬이 표면에 균일하게 쌓이고 제거되는 것을 확인했다.

그 결과, 연구팀은 12분 내 빠른 충전과 8mA/cm² 이상의 고전류 구동을 동시에 구현하는 데 성공했다. 8mA/cm²는 배터리 전극 1cm² 면적당 8mA의 전류가 흐르는 수준으로, 통상 고전류로 평가되는 4mA/cm²보다 2배 이상 높은 조건이다. 이는 전기차의 고속 충전 및 급가속과 같은 실제 사용 환경에 근접한 수준이다.

이번 기술은 리튬 인산철(LiFePO4), 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈-코발트-망간 산화물(LiNixCoyMn1-x-yO2) 등 현재 널리 쓰이는 다양한 양극 소재에 적용할 수 있다. 특정 배터리 유형에 한정되지 않고 기존 전기차 배터리 시스템 전반에 폭넓게 활용 가능해 산업 전반에 미칠 파급효과가 클 것으로 기대된다. 초장거리 전기차는 물론 도심 항공 모빌리티(UAM), 차세대 고밀도 에너지 저장 시스템 등에도 적용될 전망이다.

최남순 교수는 "이번 연구는 단순한 소재 개선이 아니라 전자 구조를 설계해 배터리의 근본 문제를 해결한 성과"라며 "고속 충전과 긴 수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리의 핵심 기반 기술이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 재료·에너지 분야 국제 학술지 '인포맷(InfoMat)'에 2월 2일 게재됐다. KAIST 최남순 교수, 홍승범 교수, 이정아 연구원, 조윤한 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 현대자동차와 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

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