"10분 완충에 1만 번 탄다"… 하버드대, '수명 15년·화재 제로' 리튬메탈 전고체 배터리 개발

기존 액체 전해질 기반 리튬이온 배터리의 수명 한계를 5배 이상 뛰어넘어 단 10분 만에 완전 충전이 가능하고 1만 회 이상의 충·방전 수명을 유지하는 혁신적인 리튬메탈 전고체 배터리 기술이 개발됐다.

초급속 충전 과정에서 음극 표면에 침상 결정이 자라나 화재와 쇼트(단락)를 유발하던 고질적 난제인 '덴드라이트(Dendrite)' 현상을 다층 이중 전해질 계면 구조로 완벽히 제어함으로써, 전기차(EV) 배터리의 수명을 15년 이상으로 획기적으로 연장할 수 있는 돌파구가 마련됐다.
8월 25일(현지시각) 세계적 국제 학술지 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재된 논문에 따르면, 미국 하버드 대학교 존 A. 폴슨 공학응용과학대학원(SEAS) 연구팀은 안정성이 서로 다른 고체 전해질을 이중 배치하는 독창적인 다층 샌드위치 계면 설계를 통해 고성능 리튬메탈 전고체 배터리 구현에 성공했다고 밝혔다.


리튬메탈 음극은 기존 흑연 음극 대비 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있어 차세대 배터리의 핵심 기술로 꼽히지만, 10분 이내의 고출력 초급속 충전을 진행할 때 음극 표면에서 나뭇가지 모양의 리튬 덴드라이트가 급격히 성장하는 치명적 약점을 안고 있었다.

이 덴드라이트가 고체 전해질 층을 물리적으로 뚫고 양극에 도달하면 내부 단락을 일으켜 배터리 수명이 급감하거나 열폭주 화재로 이어지게 된다.

하버드 SEAS 연구진은 서로 다른 열역학적·기계적 안정성을 지닌 고체 전해질 소재를 층층이 결합한 '다층 이중 구조 전해질'을 도입해 이 문제를 해결했다. 음극과 맞닿는 제1 전해질 층에서 덴드라이트가 일부 발생하더라도, 계면 특성이 전혀 다른 중간 제2 전해질 층을 통과하지 못하고 확산이 물리적·화학적으로 억제 및 봉쇄되도록 설계한 것이다.

연구팀이 개발한 리튬메탈 전고체 배터리는 10분 초급속 충전 조건에서 진행된 1만 회 이상의 가혹한 연속 충·방전 테스트 후에도 초기 배터리 용량의 80% 이상을 안정적으로 유지했다.

이는 통상 1,000~2,000회 안팎에 불과한 상용 리튬이온 배터리의 내구성을 5배 이상 압도하는 수치다. 주행거리로 환산할 경우 한 번 배터리를 장착한 전기차를 배터리 셀 교체 없이 15년 이상, 총 수백만 킬로미터(km) 이상 운행할 수 있음을 의미한다.

아울러 가연성 유기 액체 전해질을 완전히 배제한 무기물 고체 전해질을 채택함으로써 배터리 과열이나 충돌 사고 시에도 화재·폭발 위험을 제로(0) 수준으로 낮췄다.

하버드 SEAS 연구진의 혁신적 전고체 배터리 계면 설계 기술은, 향후 ‘주행거리 불안과 충전 시간 지연, 화재 리스크를 동시에 해소하는 완성차 업계의 차세대 EV 플랫폼 전환 속도’와 더불어 ‘한국·미국·일본·중국 등 글로벌 배터리 제조사들의 2027~2030년 전고체 배터리 상용 양산 라인 투자 경쟁’을 촉진할 결정적 학술·기술 지표로 작용할 전망이다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com