12분 충전에 주행거리 2배…GIST, 차세대 배터리 기술 개발

전기차 배터리 성능을 획기적으로 끌어올릴 수 있는 차세대 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

광주과학기술원(GIST)은 엄광섭 교수 연구팀이 리튬금속전지의 충전 속도와 안정성을 동시에 개선한 3차원 구조체 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 이 기술은 전기가 일부만 흐르는 고분자를 활용해 리튬이 배터리 내부에서 균일하게 쌓이도록 유도하는 방식이다.

현재 전기차 등에 쓰이는 ‘리튬이온전지’는 흑연 음극에 저장할 수 있는 리튬 양이 한계에 가까워 성능 개선에 제약이 있다. 이를 대체할 차세대 기술로 ‘리튬금속전지’가 주목받지만, 충·방전 과정에서 리튬이 나뭇가지처럼 자라는 ‘덴드라이트(리튬 수지상 결정)’가 발생해 안전성을 떨어뜨리는 문제가 있었다. 덴드라이트는 배터리 내부 절연막(분리막)을 뚫어 합선(단락)을 일으킬 수 있는 위험 요인이다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 내부에 빈 공간이 많은 고분자 구조를 만들고, 여기에 전기가 일부만 통하는 물질(폴리피롤)을 코팅했다. 특히 표면은 전기가 흐르지 않도록 설계해 리튬이 겉이 아닌 내부에서부터 아래쪽으로 차곡차곡 쌓이도록 유도했다. 이른바 ‘바텀업 방식’으로, 리튬이 한쪽으로 몰리는 현상을 줄여 덴드라이트 형성과 부피 팽창을 동시에 억제한 것이 핵심이다.

그 결과 배터리 에너지 밀도는 기존 리튬이온전지보다 2배 이상 높아졌고, 약 12분 만에 완전 충전이 가능한 초고속 충전 성능도 구현됐다. 또한 200회 이상 충·방전을 반복한 뒤에도 초기 용량의 94.7%를 유지해 내구성도 입증했다. 기존 구조가 약 80회 이후 급격히 성능이 떨어지는 것과 비교하면 큰 개선이다.

연구팀은 이번 기술이 전기차뿐 아니라 에너지저장장치(ESS), 항공 모빌리티 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 보고 있다. 간단한 공정으로 대면적 생산이 가능해 상용화 가능성도 높다는 평가다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Energy & Environmental Materials’에 게재됐다.

엄광섭 광주과학기술원 교수는 “이번 연구는 리튬금속전지의 고질적인 문제로 지적돼 온 충·방전 과정에서의 덴드라이트 형성과 그로 인한 부피 팽창 문제를 동시에 해결할 수 있는 구조적 해법을 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.

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