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• ‘꿈의 배터리’ 리튬금속 배터리 상용화 난제 해결

  송고일 : 2026-02-24
  
  

  왼쪽 위부터 KAIST최남순,홍승범, 고려대 곽상규 교수, 왼쪽 아래부터 KAIST 이정아,조윤한, 고려대 권성현 박사과정./KAIST 제공

  [투데이에너지 장재진 기자] 전기차 시대의 도래와 함께 배터리 용량과 충전 속도 향상에 대한 요구가 높아진 가운데, 한국과학기술원(KAIST) 최남순 교수와 고려대학교 곽상규 교수의 연구진은 최근 리튬금속 배터리의 상용화를 가로막던 주요 난제를 해결하는 획기적 기술을 개발했다.

  24일 KAIST에 따르면 이번 연구는 리튬금속 음극에서 흔히 발생하는 덴드라이트 형성을 억제하고 배터리 수명을 대폭 개선하는 데 성공해, 12분 이내 초고속 충전과 고전류 구동을 동시에 가능하게 했다.

  기존 리튬금속 음극은 충·방전 과정에서 리튬이 불균일하게 입자 형태로 쌓이며 나뭇가지 모양의 덴드라이트가 생성된다. 이는 배터리 수명 저하뿐 아니라 화재 위험까지 높여 상용화의 큰 걸림돌이 되어왔다.

  연구진은 전해질에 티오펜이라는 첨가제를 활용해 ‘지능형 고체 전해질 계면층’을 구현하였다. 이 계면층은 리튬 이온이 이동할 때 내부 전자 구조가 스스로 재배열돼 최적의 이온 이동 통로를 제공, 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제한다.

  더욱이 실시간 원자간력 현미경(In-situ AFM) 관찰을 통해 높은 전류 밀도 환경에서도 리튬이 균일하게 쌓이고 제거되는 안정적 거동을 직접 확인했다. 본 기술은 리튬인산철, 리튬 코발트 산화물 등 기존의 다양한 양극 소재에도 적용 가능해 전기차뿐 아니라 도심항공모빌리티(UAM)와 고밀도 에너지 저장장치 분야 등 미래 산업 전반에 큰 파급 효과가 기대된다.

  이번 연구는 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션과 나노미터 수준의 고도 분석 기술이 융합돼 리튬금속 배터리 상용화의 핵심 과제를 전자 구조 수준에서 해결한 최초의 사례로 평가받고 있다.

  최남순 교수는 “이번 성과는 단순한 소재 개선을 뛰어넘어 전자 구조 설계를 통해 배터리의 근본 문제를 해결했다는 점에서 의미가 크며, 차세대 전기차 배터리 혁신의 기반이 될 것”이라고 말했다.

  이 기술은 현대자동차와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 세계적 학술지 ‘인포맷’에 논문으로 게재되었다. 향후 전기차의 주행거리 연장과 충전 시간 단축을 가능케 할 핵심 기초 기술로 주목받고 있다.

  리튬금속 배터리 상용화 난제 해결 AI생성 이미지 /KAIST 제공

  ■ 용어 설명

  덴드라이트 (Dendrite)= 배터리 충전 시 리튬 이온이 음극 표면에 불균일하게 쌓여 나뭇가지 형태로 성장하는 결정체로, 배터리의 내부 단락과 화재 위험을 초래하는 주요 원인이다. 고체 전해질 계면층 (Solid Electrolyte Interphase, SEI)= 배터리 작동 중 전극 표면에 형성되는 얇은 보호막으로, 리튬 금속의 부식을 방지하지만 불균일하면 이온 흐름에 병목 현상이 생길 수 있다. 티오펜 (Thiophene)= 황 원자가 포함된 고리형 유기 화합물로, 본 연구에서는 전해질 첨가제로 사용되어 리튬 이온의 이동에 따른 전자 구조 변화를 유도하는 ‘지능형 통로’ 역할을 한다. π-공액 구조 (π-Conjugated Structure)= 단일 결합과 이중 결합이 번갈아 나타나 전자가 분자 내에서 자유롭게 이동 가능한 화학 구조로, 티오펜이 이 구조를 통해 전하 분포를 실시간 재배열한다. 원자간력 현미경 (Atomic Force Microscopy, AFM)= 나노미터 단위 표면 형상과 물리적 특성을 측정하는 현미경으로, in-situ AFM은 배터리 구동 중 리튬금속 표면 변화를 실시간 관찰 가능하다.

  출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)