KAIST는 고려대학교와 공동으로 리튬금속 배터리의 계면 불안정성을 개선해 덴드라이트 성장을 억제하는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 이는 차세대 전기차용 ‘꿈의 배터리’로 불리는 리튬금속 배터리 상용화의 핵심 난제를 해결한 성과로 평가된다.

리튬금속 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 높아 주행거리 확대에 유리하지만 충전 과정에서 바늘 형태의 덴드라이트가 형성돼 내부 단락과 화재 위험, 수명 저하 문제가 발생해 왔다. 계면 불안정성이 근본 원인으로 지목돼 상용화의 주요 장애 요인이었다.

연구팀은 전해질에 티오펜을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온 이동을 제어하는 보호막을 형성했다. 보호막 내부 전하 분포가 충전 상태에 따라 재배열되며 이온 이동 경로를 안정적으로 유지하는 구조다. 밀도범함수이론 시뮬레이션을 통해 전자 구조 변화를 분석했다.

이 기술을 적용한 배터리는 12분 내 고속 충전과 8mA/㎠ 이상의 고전류 구동 조건에서도 덴드라이트 성장을 억제했다. 실시간 원자간력현미경 관찰에서 리튬이 표면에 균일하게 증착·제거되는 것이 확인돼 기계적 안정성도 확보됐다.

또한 리튬인산철, 리튬코발트산화물, 니켈·코발트·망간계 양극 등 기존 배터리 소재와 호환돼 다양한 전기차 배터리 시스템에 적용 가능하다. 특정 소재에 제한되지 않는 범용 기술이라는 점에서 산업 파급효과가 클 것으로 전망된다.

연구진은 고속 충전과 장수명을 동시에 달성함으로써 전기차 주행거리 개선뿐 아니라 도심항공모빌리티(UAM), 고출력 에너지저장장치 등 고성능 배터리 수요 분야에 활용할 수 있을 것으로 보고 있다.

최남순 교수는 “전자 구조 설계를 통해 배터리의 근본 문제를 해결했다”며 “차세대 전기차용 고속 충전 배터리 기술의 기반이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 최남순 교수와 홍승범 교수, 고려대 곽상규 교수가 참여했다. 성과는 재료·에너지 분야 학술지 ‘인포맷’ 2월 2일자에 게재됐으며 현대자동차와 한국연구재단 중견연구사업 지원을 받아 수행됐다.