하버드 대학 개발 '전고체 배터리', 교체없이 15년까지 쓴다

하버드대학 연구팀이 오래 지속되는 전고체 리튬 배터리를 개발한 것으로 알려졌다. 오래 지속되는 급속 충전 배터리는 전기차 시장의 확장에 필수적이지만 오늘날 리튬 이온 배터리는 이를 제대로 충족하지 못하고 있다. 너무 무겁고, 너무 비싸고, 충전하는 데 시간이 너무 많이 걸린다.

수십 년 동안 전문가들은 기존의 리튬이온 배터리에 비해 동일한 부피와 충전으로 훨씬 더 많은 에너지를 보유할 수 있는 전고체 리튬-금속 배터리의 잠재력을 활용하려고 노력해 왔다.


하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용 과학 대학(SEAS)의 재료 과학 부교수인 신 리(Xin Li)는 “리튬 금속 배터리는 고용량 및 에너지 밀도 때문에 널리 사용되지만 여전히 안정성은 좋지 않다”고 말한다.

신 리와 그의 팀은 안정적인 리튬 금속 전고체 배터리를 설계했다. 이전에 시연했던 것보다 훨씬 개선된 성능을 보였다.
이 배터리 기술은 배터리를 교체할 필요 없이 전기 자동차의 수명을 10년에서 15년까지 늘릴 수 있다. 높은 전류 밀도로 인해, 배터리는 10분에서 20분 이내에 완전히 충전할 수 있는 전기차를 위한 에너지 기반을 마련할 수 있다고 한다.

리튬 전지는 충전 중에 리튬 이온을 음극에서 양극으로 이동시킨다. 양극이 리튬 금속으로 만들어질 때, ‘덴드라이트’(리튬 이온 전지를 사용할 때 생기는 나뭇가지 모양의 결정)라고 불리는 바늘과 같은 구조가 표면에 형성된다. 이 구조물들은 전해액에 뿌리처럼 자라 양극과 음극이 분리되는 장벽을 뚫어 배터리가 단락되거나 불이 붙기도 한다.

리 교수팀은 양극과 음극 사이에 다양한 안정성의 여러 재료를 끼워 넣는 다층 배터리를 설계해 이 문제를 극복했다. 다층 복합 재료 배터리는 리튬 ‘덴드라이트’를 완전 정지시키는 것이 아니라 제어하고 억제하는 것으로 리튬 ‘덴드라이트’ 침투를 방지한다.


배터리를 BLT(베이컨, 양상추, 토마토를 합쳐서 부르는 축약어, Bacon, Lettuce, Tomato의 이니셜) 샌드위치처럼 생각해보면 이해가 쉽다.

먼저 빵, 즉 리튬 금속 양극에 이어 상추까지 흑연을 코팅한다. 다음으로 토마토 층, 즉 첫 번째 전해질 층과 두 번째 전해질 층인 베이컨 층이 있다. 토마토와 마지막 빵인 음극으로 마무리한다.

첫 번째 전해액은 리튬과 함께 안정적이지만 침투가 쉽다. 두 번째 전해질은 리튬에서는 안정성이 떨어지지만 ‘덴드라이트’에는 면역성이 있는 것으로 보인다. 이 설계에서 ‘덴드라이트’는 양상추와 토마토를 통해 자라지만 베이컨에서는 멈춘다. 베이컨 장벽은 ‘덴드라이트’가 배터리를 밀고 들어가 단락시키는 것을 막는다.

논문 공동저자이자 대학원생인 루한은 “배터리 안정화를 위해 불안정성을 통합하는 전략은 앵커가 벽에 들어가는 나사를 안내하고 제어할 수 있는 것처럼 ‘덴드라이트’ 성장을 안내하고 제어할 수 있다”고 말한다.

배터리는 또한 자가 치유 기능이 있으며, 화학 작용으로 ‘덴드라이트’가 만든 구멍을 메울 수 있다.

아직은 상용 배터리로 확장하기 쉽지 않고 현실적으로 어려움이 있지만 리튬-금속 고체 배터리가 상업용 리튬-이온 배터리와 경쟁할 수 있음을 보여준다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com