▲ KAIST-LGES FRL 리튬메탈전지 기술 관련 인포그래픽(그림=KAIST)  © 특허뉴스

전기차 배터리 기술의 한계를 돌파할 혁신이 국내에서 개발됐다. KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수와 LG에너지솔루션 프론티어 연구소(FRL) 공동 연구팀이 리튬메탈전지(Lithium metal battery)의 기술적 난제였던 덴드라이트(Dendrite) 문제를 해결하며, 전 세계 전기차 시장의 판도를 바꿀 차세대 배터리 원천기술을 공개했다.

이번 성과는 단순한 기술 개선을 넘어, ▲1회 충전 800km 주행 ▲누적 30만km 이상 수명 ▲12분 초고속 충전이라는 ‘꿈의 스펙’을 현실로 만들었다. 기존 리튬이온전지가 최대 600km 주행에 그쳤던 것과 비교하면 획기적인 진전이다.

덴드라이트 난제 돌파

리튬메탈전지는 흑연 음극을 리튬메탈로 대체해 높은 에너지 밀도를 제공하지만, 충전 과정에서 나뭇가지 모양의 리튬 결정체인 덴드라이트가 발생해 수명과 안정성을 저해하는 치명적 한계를 안고 있었다. 특히 급속 충전 시 내부 단락을 유발해 실용화가 어려웠다.

FRL 연구팀은 덴드라이트의 근본 원인이 리튬메탈 표면에서의 불균일한 계면 응집반응임을 규명하고, 이를 억제하는 ‘응집 억제형 신규 액체 전해액’을 개발했다. 해당 전해액은 리튬 이온과의 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 불균일성을 최소화하고, 급속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제한다.

주행거리·충전속도·수명 모두 잡다

이 기술은 기존 리튬메탈전지의 약점이던 충전 속도를 극복하면서도, 긴 주행거리와 안정적인 수명을 동시에 확보했다. 즉, 전기차 배터리의 ‘에너지 밀도·충전 속도·수명’이라는 3대 난제를 모두 풀어낸 셈이다.

LG에너지솔루션 CTO 김제영 전무는 “4년간 이어온 산학 협력이 결실을 맺었다”며 “앞으로도 차세대 배터리 분야에서 세계 최고 성과를 창출할 것”이라고 밝혔다. KAIST 김희탁 교수 역시 “리튬메탈전지 상용화의 가장 큰 장벽을 넘어선 토대”라고 평가했다.

이번 연구 성과는 세계적 학술지 네이처 에너지(Nature Energy, 9월 3일 자)에 게재되며 학문적·산업적 가치를 동시에 입증했다. 전문가들은 전기차 주행거리 불안을 해소하고, 충전 시간을 내연기관차 주유 수준으로 줄이는 이 기술이 상용화될 경우, 글로벌 전기차 시장의 성장 속도를 가속화할 것으로 전망하고 있다.

논문명은 Covariance of interphasic properties and fast chargeability of energy-dense lithium metal batteries이다.