최남순·홍승범 카이스트 교수와 곽상규 고려대 교수(왼쪽부터). 카이스트 제공

전기차 시대가 열리면서 더 멀리 더 오래 달릴 수 있는 배터리에 대한 연구가 활성화되고 있다. 기존 리튬이온 배터리의 용량 한계를 뛰어넘을 차세대 기술로 주목받고 있는 것이 리튬금속 배터리다. 그러나 리튬금속 배터리는 충전 과정에서 바늘 모양 결정인 ‘덴드라이트’가 자라 수명을 단축시키고 화재 위험을 높이는 문제가 있어 상용화에 어려움을 겪어 왔다.

국내 연구진이 이런 문제를 해결할 수 있는 핵심 기술을 개발했다. 카이스트(KAIST)는 최남순 생명화학공학과 교수팀과 홍승범 신소재공학교 교수팀이 곽상규 고려대 교수팀과 함께 리튬금속 배터리의 가장 큰 난제인 ‘계명 불안정성’을 전자 구조 수준에서 해결할 수 있는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

계면 불안정성은 충전과 방전 과정에서 전극과 전해질이 맞닿는 경계면이 고르게 유지되지 못하는 현상을 말한다. 이는 리튬이 바늘처럼 자라나는 덴드라이트가 형성돼 배터리 수명 저하와 내부 단락, 화재 위험을 가져오는 요인으로 지목돼 왔다. 리튬금속 배터리 상용화를 가로막는 가장 큰 원인이기도 하다.

연구진은 배터리 전해질에 ‘티오펜(Thiophene)’을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 ‘지능형 보호막’을 구현하는 방법으로 문제를 해결했다. 지능형 보호막은 전자 구조가 스스로 재배열되도록 하는 특징을 갖는다. 리튬 이온이 이동할 때마다 보호막 내부의 전하 분포가 유연하게 변하며 최적의 통로를 만들어주기 때문이다. 교통량에 따라 차로를 조정하는 스마트 교통시스템과 비슷한 원리다.

연구결과 지능형 보호막은 뛰어난 안정성을 나타냈고, 고속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하며 배터리 수명을 늘려주는 것으로 확인됐다. 연구진은 이번 기술이 리튬 인산철과 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈-코발트-망간 산화물 등 현재 널리 쓰이는 다양한 배터리 양극 소재에 사용될 수 있다고 설명했다.

최남순 교수는 “이번 연구 성과는 리튬금속 배터리 사용화를 가로막던 최대 장벽인 초고속 충전 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 돌파구를 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “특정 배터리 유형에 한정되지 않고 기존 전기차 배터리 시스템 전반에 폭넓게 적용 가능해 산업 전반에 미칠 파급효과가 크고, 고성능 배터리가 필요한 다양한 미래 산업 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.