경희대학교 융합바이오신소재공학과 이정태·유정목 교수 연구팀은 차세대 기술로 주목받는 리튬금속 배터리의 상용화 가능성을 높인 연구 결과가 나왔다고 10일 밝혔다.

리튬금속배터리는 현재 전기차, 에너지 저장 시스템에 사용되는 리튬 이온 배터리보다 약 40% 높은 에너지 밀도를 가지고 있지만, 덴드라이트라는 뾰족한 결정이 자라며 배터리 성능이 떨어지고, 폭발 위험까지 있어 상용화에 어려움을 겪고 있다.

이러한 상황에서 이정태 교수 연구팀이 새로운 첨가제(PES)를 적용해 리튬 금속 배터리의 안정성과 성능을 동시에 높이는 기술을 개발했다. 연구 결과는 세계적인 학술지 『Chemical Engineering Journal(IF=13.4)』에 3월 온라인 게재됐다.

액체 전해질에서 PES 같은 화합물은 배터리 충·방전 과정에서 화학적으로 변하며 성능을 향상시키는 것으로 알려졌다. 연구팀은 고체 전해질에서 PES가 구조를 유지하면서도 배터리 성능을 높인다는 새로운 사실을 발견했다. 특히 상온에서 PES가 리튬 이온의 이동을 도와 배터리 충전 속도를 높이며 덴드라이트 결정 생성을 억제해 배터리 수명을 늘리는 것으로 관측됐다.

실험 결과 PES가 첨가된 고체 전해질은 높은 이온 이동 속도를 보였고, 5.5V의 높은 전압에서도 안정적으로 작동했다. 또한 리튬 금속 배터리에 적용했을 때 전기차와 에너지 저장 장치에 많이 사용되는 리튬인산철(LFP) 배터리의 경우 500회 충·방전을 반복한 후에도 94.48%의 용량을 유지했다. 또한 에너지 밀도가 높은 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리에도 뛰어난 성능을 보였다. NCM 배터리는 300회 충·방전 후에도 97%의 용량을 유지하며 기존보다 높은 수명을 입증했다.

연구를 진행한 이정태 교수는 “이번 연구는 고체 전해질에서 PES 화합물의 적용 가능성을 알린 초석이 될 것”이라며 “향후 다양한 유기 화합물을 활용해 안전하고 높은 성능을 보이는 고체 전해질 개발에 힘쓰겠다”고 말했다.