LG에너지솔루션과 KAIST가 공동으로 연구를 진행하고 있는 FRL(Frontier Research Laboratory) 연구팀이 차세대 배터리로 주목받고 있는 리튬 메탈 전지(Lithium Metal Battery) 충전 속도를 혁신적으로 단축할 수 있는 기술 개발에 성공했다.

FRL 연구팀은 4일 1회 충전에 800km 이상 주행, 누적 주행거리 30만km 이상의 수명을 확보하면서 충전 시간을 12분까지 단축할 수 있는 리튬 메탈 전지 연구 결과를 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)[1]’에 게재했다고 밝혔다.

LG에너지솔루션과 KAIST는 지난 2021년 리튬 메탈 전지 관련 원천기술 개발을 위해 공동 연구센터 FRL(Frontier Research Laboratory)을 설립한 이후 독보적인 연구 성과를 발표하고 있다.

이번 기술은 지난 2023년 발표해 ‘네이처 에너지’에 게재된 ‘저부식성 붕산염-피란(borate-pyran) 액체 전해액 기반 리튬 메탈 전지’의 후속 연구다. 방전 효율과 에너지 밀도 개선은 물론 리튬 메탈 전지의 난제로 꼽히던 ‘충전 속도’에서 진일보한 연구 결과를 제시했다는 점에서 의미가 깊다.

◇ 리튬 메탈 전지의 난제 ‘충전 속도’ 해결, 급속충전에서도 안정적 구동 가능

리튬 메탈 전지는 리튬이온 배터리(Lithium-ion battery)의 핵심 소재 중 하나인 흑연 음극을 리튬 메탈(Lithium metal)로 대체하는 배터리로, 음극재의 무게와 부피를 크게 줄일 수 있어 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 실제 리튬 메탈 전지를 통해 고성능 전기차의 평균 주행거리를 600km에서 800km 이상으로 향상시킬 수 있다.

하지만, 리튬 메탈 전지는 수명과 안정성 확보를 어렵게 만드는 ‘덴드라이트(Dendrite)[2]’ 문제를 해결해야 하는 기술적 어려움이 존재해 왔다. 특히 덴드라이트 현상은 급속 충전 시 더욱 심각하게 발생해 배터리의 내부 단락(short-circuit)을 유발할 수 있어, 아직까지 급속 충전 조건에서 재충전 가능한 리튬 메탈 전지의 구현이 어려웠던 것이 사실이다.

이에, FRL 공동연구팀은 급속 충전 시 덴드라이트 형성의 근본적 원인이 리튬 메탈 표면에서의 불균일한 계면 응집반응 때문임을 규명하고, 이 문제를 해결할 수 있는 응집 억제형 신규 액체 전해액을 ‘세계 최초’로 개발했다.

신규 액체 전해액은 리튬 이온(Li⁺)과의 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 리튬 계면 상의 불균일성을 최소화하며, 급속 충전 시에도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다.

이 기술은 높은 에너지밀도(Energy Density)를 유지하면서도 기존 리튬 메탈 전지 한계로 지적되던 ‘느린 충전 속도’ 문제를 극복, 급속 충전에서도 안정적인 구동을 가능하게 한다. 이를 통해 충전 속도를 12분까지 단축할 수 있어 리튬 메탈 전지의 상용화를 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

LG에너지솔루션의 CTO 김제영 전무는 “LG에너지솔루션과 KAIST가 FRL을 통해 이어온 지난 4년간의 협력이 유의미한 성과를 창출하고 있다”며 “앞으로도 산학 협력을 더욱 강화해 기술적인 난제를 해결하고 차세대 배터리의 분야에서도 최고의 성과를 창출해 나가겠다”고 말했다.

KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수는 “이번 연구는 계면 구조에 대한 이해를 통해 리튬 메탈 전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가 됐고 리튬 메탈 전지가 전기차에 도입되기 위한 가장 큰 장벽을 넘어섰다”라고 평가했다.

한편 LG에너지솔루션은 KAIST를 비롯해 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD), 독일 뮌스턴 대학 및 헬름홀츠 연구소 등 국내외 유수 대학 및 기관들과 함께 공동 연구센터 FRL을 운영하며 차세대 배터리 기술 확보에 박차를 가하고 있다.