삼성SDI가 리튬메탈 배터리의 수명과 안전성을 대폭 개선할 수 있는 기술을 개발했다. 리튬메탈 배터리는 음극재로 주로 쓰이는 흑연 대신 리튬메탈을 사용해 제조한 제품으로, 현존 배터리 중 에너지 밀도가 가장 높은 차세대 배터리로 꼽힌다.
삼성SDI는 미국 컬럼비아대와의 산학협력을 통해 리튬메탈 배터리의 수명과 안전성을 동시에 향상할 수 있는 새로운 전해질 조성(화학물질 성분의 구성 비율)을 개발했다고 23일 밝혔다. 에너지 밀도가 높은 대신 수명이 짧은 리튬메탈 배터리의 한계를 극복한 게 핵심이다.
리튬메탈 배터리는 니켈·코발트·망간(NCM) 등 삼원계 배터리에 비해 에너지 밀도가 1.6배가량 높지만, 충·방전 가능 횟수가 수십 회에 불과해 상용화에 어려움을 겪었다. 리튬메탈 소재 특유의 높은 반응성이 원치 않은 화학 반응을 불러일으켰기 때문이다.
배터리 충전 과정에서 발생하는 덴드라이트 효과가 대표적이다. 덴드라이트 효과는 리튬 이온이 음극 표면에 균일하게 달라붙지 못하고 돌출된 결정체를 형성하는 현상이다. 리튬이온 결정체가 생기면 배터리 용량이 줄어들 뿐 아니라 화재 등 안전 문제가 발생할 수 있다.
삼성SDI와 컬럼비아대 공동연구팀은 '겔 고분자 전해질'을 적용해 성능을 개선할 수 있는 방안을 찾았다. 불소 성분을 활용해 음극 표면에 안정적인 경계면을 형성하고, 이를 통해 덴드라이트를 억제한 것이다.
이번 연구 논문은 세계 최고 권위의 에너지 분야 학술지로 꼽히는 '줄(Joule)'에 실렸다. 논문에는 이승우 삼성SDI연구소 부사장, 위안 양 컬럼비아대 교수 등이 공동 저자로 등재됐다.
주용락 삼성SDI 연구소장(부사장)은 "이번 연구는 기존에 취약점으로 지적되던 리튬메탈 배터리의 안전성을 개선한 기술이 학술적으로 검증받았다는 데 의미가 있다"며 "앞으로도 국내외 연구 네트워크를 기반으로 차세대 배터리 기술 확보에 속도를 낼 것"이라고 말했다.
안시욱 기자 siook95@hankyung.com
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