덴 드 라이트·액체 전해 액에 의한 부식 문제 해결 붕 산 염-피란 기반 액체 전해 액' 세계 최초 적용 전해 액과 리튬 메 탈 음극 간 부식 반응 차단
LG 에너지 솔 루 션 과 한국과학기술원은 차세대 배터리인 '리튬 메 탈 전지로 1회 충전에 900㎞를 주행할 수 있는 기술 개발에 성공했다고 7일 밝혔다.
공동 연구팀은 리튬 이온 전지 대비 주행 거리를 약 50% 늘리고, 충 ·방전 효율과 수명을 대폭 개선할 수 있는 리튬 메 탈 전지 관련 원천 기술을 개발했다.
이번 연구 논문은 세계적인 과학 학술지 '네 이 처 에너지'에 게재됐다. 리튬 메 탈 전지는 흑연 계 음극 재 대신 리튬 메 탈을 사용해 기존 리튬 이온 전지보다 음극 재 무게와 부피를 크게 줄일 수 있다. 이를 통해 에너지 밀도와 주행 거 리를 대폭 향상 할 수 있어 대표적 차세대 배터리 중 하나로 꼽힌다.
공동 연구팀은 기존 리튬 메 탈 전지에서 발생하는 덴 드 라이트(Dendrite) 현상과 액체 전해 액에 의한 부식 문제를 해결하기 위해 '붕 산 염-피란(borate-pyran) 기반 액체 전해 액을 세계 최초로 적용했다.
공동 연구팀은 기존 리튬 메 탈 전지에서 발생하는 덴 드 라이트(Dendrite) 현상과 액체 전해 액에 의한 부식 문제를 해결하기 위해 '붕 산 염-피란(borate-pyran) 기반 액체 전해 액을 세계 최초로 적용했다.
덴 드 라이트는 리튬 이온 배터리를 충전하는 과정에서 음극 표면에 쌓이는 뾰족한 나뭇가지 모양의 리튬 이온 결정체를 말한다. 배터리 수명과 안전성을 위협하는 한계로 지적되어 왔다.
'붕 산 염-피란 기반 액체 전해 액'은 충 ·방전 시 리튬 메 탈 음극 표면에 형성되는 수 나노미터 두께의 고체 전해질 층을 치밀한 구조로 재구성함으로써 전해 액과 리튬 메 탈 음극 간 부식 반응을 차단하는 역할을 한다.
'붕 산 염-피란 기반 액체 전해 액'은 충 ·방전 시 리튬 메 탈 음극 표면에 형성되는 수 나노미터 두께의 고체 전해질 층을 치밀한 구조로 재구성함으로써 전해 액과 리튬 메 탈 음극 간 부식 반응을 차단하는 역할을 한다.
리튬 메 탈 전지 충 ·방전 효율을 향상 하는 것은 물론 1회 충전에 900㎞ 주행이 가능할 만큼 에너지 밀도(단위 부피 또는 단위 무게 당 지니고 있는 에너지의 양)를 높일 수 있다. 기존 고성능 전기 차에 적용되는 리튬 이온 전지 주행 거리 약 600㎞보다 50% 높은 수준이다.
400회 이상 재충전이 가능할 만큼 수명 안정성 확보도 가능하다. 이번 연구에서 구현된 리튬 메 탈 전지는 전 고체 전지와는 달리 구동 시 높은 온도와 압력이 요구되지 않아 전기 차 주행 거리를 높이기 위한 간소화된 전지 시스템 설계가 가능하다.
김 희 탁 KAIST 생명공학과 교수는 "실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해 액을 기반으로 하는 리튬 메 탈 전지 구현 가능성을 가시 화 한 연구"라고 말했다. 논문 제 1 저자 인 권 혁 진 박사 과정은 "리튬 금속 음극 계면 의 나노 스케일 제어를 통해 리튬 메 탈 전지 한계를 극복할 수 있다는 것을 증명했다"고 말했다.
LG에너지 솔 루 션 과 KAIST는 차세대 리튬 메 탈 전지 관련 원천 기술 개발을 위해 2021년 공동 연구 센터 FRL(Frontier Research Laboratory)를 설립했다. LG 에너지 솔 루션 은 KAIST 외에도 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD), 독일 뮌 스 턴 대학, 헬 름 홀 츠 연구소 등과 FRL을 운영하고 있다.
LG에너지 솔 루 션 과 KAIST는 차세대 리튬 메 탈 전지 관련 원천 기술 개발을 위해 2021년 공동 연구 센터 FRL(Frontier Research Laboratory)를 설립했다. LG 에너지 솔 루션 은 KAIST 외에도 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD), 독일 뮌 스 턴 대학, 헬 름 홀 츠 연구소 등과 FRL을 운영하고 있다.
