한양대 임희대 교수팀, 리튬 금속 전지 수명 늘리는 ‘부식 방지형 전해질’ 개발

▲(a)여러 과불화 화합물들과 벤젠의 리튬에 대한 반응성 비교 (b)각 전해질 별 리튬 성장 거동 비교 (자료=한양대)

한양대학교 화학공학과 임희대 교수와 성균관대학교 김병훈 교수 공동 연구팀이 리튬 금속 전지의 수명과 안전성을 획기적으로 개선할 수 있는 '부식 방지형 전해질'을 개발하며 차세대 배터리 기술에 새로운 전환점을 제시했다. 이번 연구는 리튬 금속 계면에서 발생하던 부식과 전지 열화를 근본적으로 해결하는 방식으로, 그동안 상용화의 걸림돌로 지적돼 온 핵심 문제를 해결한 성과로 평가된다.

전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 시장이 급성장하면서 기존 리튬 이온 전지를 뛰어넘는 고성능 배터리에 대한 수요도 빠르게 증가하고 있다. 높은 에너지 밀도를 가진 리튬 금속 전지는 전기차, 드론, 항공우주 등 미래 에너지 산업의 핵심 기술로 주목받고 있지만, 충·방전 과정에서 생기는 '덴드라이트(dendrite)' 문제는 여전히 해결해야 할 난제로 남아 있었다. 이 덴드라이트는 배터리 성능 저하뿐 아니라 내부 단락을 유발해 화재 위험을 높이는 주요 원인으로 지적돼 왔다.

기존 연구에서는 전해질 구성을 변경해 덴드라이트 성장을 억제하려는 시도가 이어졌으나, 독성이 강한 과불화 화합물에 의존해 환경 문제와 수명 단축이라는 한계를 극복하지 못했다.

임 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 과불화 화합물을 완전히 배제하고, 방향족 탄화수소와 양친매성 용매를 활용한 새로운 전해질 설계 방식을 도입했다. 새롭게 개발된 전해질은 리튬 음극 표면에 안정적이고 균일한 보호막을 형성해 덴드라이트 성장을 억제하는 동시에, 전해질 자체가 리튬 금속을 부식시키는 반응을 원천적으로 차단하는 특성을 보였다.

실험 결과, 해당 전해질을 적용한 리튬 금속 전지는 기존 대비 2배 이상의 수명 안정성을 확보했다. 또한 전해질의 가격과 밀도가 크게 낮아지면서 산업적 활용 가능성과 에너지 밀도 향상 효과까지 동시에 입증했다. 이 기술은 전기차용 대용량 배터리부터 드론, 항공우주 분야의 초경량 전지까지 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

▲(왼쪽부터) 성균관대 김병훈 교수, 한양대 임희대 교수, 조현민 박사과정 (사진=한양대)

임 교수는 “이번 연구는 리튬 금속 전지의 고질적 문제였던 수명 저하와 안전성 이슈를 한 번에 해결할 수 있는 기술적 돌파구를 제시했다"며 “부식 방지형 전해질은 다른 금속 전지 시스템에도 적용 가능한 원천 기술로, 배터리 산업 전반에 새로운 패러다임을 제시할 것"이라고 강조했다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었으며, 국제 저명 학술지 『Advanced Materials』 1월호에 게재됐다. 논문 「Fluorine-Free Corrosion-Resistant Electrolyte Design for Enhanced Stability in Lithium Metal Batteries」에는 한양대 조현민 박사과정생이 제1저자로, 임희대 교수와 김병훈 교수가 교신저자로 참여했다.

송기우 기자 kwsong@ekn.kr