KAIST·고려대, 리튬금속 배터리 상용화 난제 ‘덴드라이트’ 억제 기술 개발
전기차 시대가 본격화되면서 더 멀리, 더 오래 달릴 수 있는 차세대 배터리에 대한 요구가 커지고 있다. 기존 리튬이온(Lithium-ion) 배터리의 용량 한계를 뛰어넘을 기술로 리튬금속(Lithium Metal) 배터리가 주목받고 있지만, 충전 과정에서 바늘 모양 결정인 ‘덴드라이트’가 성장해 수명을 단축시키고 화재 위험을 높이는 문제가 상용화의 최대 걸림돌로 지적돼 왔다.
KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 최남순 교수팀과 신소재공학과 홍승범 교수팀, 고려대학교(총장 김동원) 곽상규 교수팀이 협력해 리튬금속 배터리의 핵심 난제인 ‘계면 불안정성’을 전자 구조 수준에서 해결하는 기술을 개발했다고 2월 24일 밝혔다.
계면 불안정성은 충·방전 과정에서 전극과 전해질이 맞닿는 경계면이 균일하게 유지되지 못하는 현상이다. 이로 인해 리튬이 바늘처럼 자라나는 덴드라이트가 형성되고, 이는 배터리 수명 저하와 내부 단락, 화재 위험으로 이어진다. 리튬금속 배터리 상용화를 가로막아 온 근본 원인이다.
연구팀은 배터리 전해질에 ‘티오펜(Thiophene)’을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 ‘지능형 보호막’을 구현했다. 이 보호막은 전자 구조가 스스로 재배열되는 특성을 갖는다. 리튬 이온 이동 과정에서 보호막 내부 전하 분포가 유연하게 변하며 최적의 이동 통로를 형성하는 방식이다.
연구진은 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 이러한 작동 원리를 규명했으며, 기존 상용 첨가제 대비 우수한 안정성을 확인했다. 그 결과, 고속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하고 배터리 수명을 크게 향상시키는 데 성공했다.
또한 연구팀은 실시간 원자간력 현미경(In-situ AFM)을 활용해 나노미터 수준에서 배터리 내부 변화를 직접 관찰했다. 8mA/cm² 이상의 고전류 조건에서도 리튬이 표면에 균일하게 석출·제거되는 현상을 확인함으로써 기계적 안정성을 입증했다.
이번 기술은 리튬 인산철(LiFePO₄), 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈-코발트-망간 산화물(LiNixCoyMn1-x-yO₂) 등 현재 널리 쓰이는 다양한 양극 소재에 적용 가능하다. 특정 배터리 유형에 한정되지 않고 기존 전기차 배터리 시스템 전반에 활용될 수 있어 산업적 파급 효과가 클 것으로 기대된다.
특히 이번 연구는 12분 이내 고속 충전과 8mA/cm² 이상의 고전류 구동을 동시에 구현함으로써, 리튬금속 배터리 상용화를 가로막던 초고속 충전 안정성 문제에 대한 돌파구를 제시했다는 점에서 의미가 크다. 이는 초장거리 전기차뿐 아니라 도심항공모빌리티(UAM), 차세대 고밀도 에너지 저장 시스템 등 고출력·고밀도 배터리가 필요한 미래 산업 분야로의 확장 가능성을 보여준다.
최남순 교수는 “이번 연구는 단순한 소재 개선을 넘어 전자 구조를 설계해 배터리의 근본 문제를 해결한 성과”라며, “고속 충전과 긴 수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리의 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 재료·에너지 분야 국제 학술지 ‘인포맷(InfoMat)’에 2월 2일 게재됐다.
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