한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 최남순·신소재공학과 홍승범 교수팀이 리튬금속 배터리의 가장 큰 난제인 '계면 불안정성'을 전자 구조 수준에서 해결하는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

계면 불안정성은 충·방전 과정에서 전극과 전해질이 맞닿는 경계면이 고르게 유지되지 못하는 현상이다. 이로 인해 리튬이 바늘처럼 자라나는 덴드라이트가 형성되고, 이는 배터리 수명 저하와 내부 단락, 화재 위험으로 이어진다. 이는 리튬금속 배터리 상용화를 가로막아 온 근본 원인으로 지목된다.

연구팀은 고려대 곽상규 교수팀과 협력해 배터리 전해질에 '티오펜'(Thiophene)을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 '지능형 보호막'을 구현했다.

이 보호막은 전자 구조가 스스로 재배열되는 특징을 갖는다.

마치 교통량에 따라 차로를 조정하는 스마트 교통 시스템처럼, 리튬 이온이 이동할 때마다 보호막 내부의 전하 분포가 유연하게 변하며 최적 통로를 만들어준다.

그 결과, 고속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하고 배터리 수명을 크게 늘리는 데 성공했다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 리튬금속 배터리 상용화를 가로막던 최대 장벽인 초고속(12분 내 빠른 충전과 8㎃/㎠ 이상의 고전류 구동을 동시 구현) 충전 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 돌파구를 제시했다는 점에서 의미가 있다고 덧붙였다.

최남순 교수는 "고속 충전과 긴 수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리의 핵심 기반 기술이 될 것"이라며 "초장거리 전기차는 물론 도심 항공 모빌리티(UAM), 차세대 고밀도 에너지 저장 시스템 등 고성능 배터리가 필요한 다양한 미래 산업 분야에 활용될 것"이라고 말했다.