배터리 속 ‘소금 한 꼬집’의 마법⋯포스텍, 폭발 없는 리튬금속전지 길 열었다

연구 이미지. /포스텍 제공

요리의 풍미를 살리는 ‘소금 한 꼬집’처럼 배터리 내부에 극소량의 물질을 더해 안전성과 성능을 획기적으로 높이는 기술이 개발됐다.

포항공과대학교(이하 포스텍) 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수 연구팀(석사과정 유재형·통합과정 홍서찬)은 차세대 배터리로 주목받는 ‘리튬금속전지’의 치명적 약점인 폭발 위험과 짧은 수명 문제를 동시에 해결하는 데 성공했다고 7일 밝혔다. 

리튬금속전지는 기존 리튬이온전지보다 에너지 저장 용량이 월등히 커 전기차의 주행거리를 획기적으로 늘리고 도심항공모빌리티(UAM) 실용화를 앞당길 ‘꿈의 전지’로 불린다. 하지만 충전 시 리튬 표면에 나뭇가지 모양의 결정인 ‘덴드라이트(dendrite)’가 자라나 전지 내부를 찌르며 폭발을 일으키는 안전성 문제가 고질적인 걸림돌이었다.

연구팀은 액체 전해질에 알루미늄염(AlCl₃)을 아주 적은 양 첨가하는 방식에서 해답을 찾았다. 알루미늄염이 전해질 내에서 화학 반응을 유도해 액체 상태를 스스로 굳는 ‘젤(gel)’ 형태로 변화시킨 것이다.

이렇게 형성된 젤 전해질은 리튬 이온의 이동은 원활하게 유지하면서도 구조를 촘촘하게 만들어 덴드라이트가 자랄 틈을 주지 않았다. 특히 알루미늄염은 리튬 표면에 ‘하이브리드 보호막’을 자가 형성해 전극을 이중으로 보호하는 역할을 했다.

실제 성능 평가 결과도 압도적이다. 젤 전해질을 적용한 리튬-인산철(LFP) 전지는 280회 이상의 충·방전 후에도 초기 용량의 약 93%를 유지했다. 특히 표준 속도보다 20배 빠른 고속 충전(10C) 조건에서도 안정적인 작동을 유지하며 높은 에너지 효율을 입증했다.

김원배 교수는 “미량의 알루미늄염 첨가만으로 고분자 젤 전해질 형성과 계면 안정성을 동시에 개선한 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “이번 기술이 고에너지 리튬금속전지의 상용화를 앞당기는 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 에너지·재료화학 분야 권위지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재됐다.

/단정민기자 [e-mail]