부피 줄이고, 충전 속도 높이고…'리튬메탈배터리' 개발 과제는

LG엔솔·SK온·현대차 개발중
음극재에 흑연 대신 리튬메탈 적용
수명·안전성 저해하는 '덴드라이트' 해결해야

[서울=뉴시스] 리튬메탈배터리 특징 설명. (사진=LG에너지솔루션 '배터리인사이드') 2024.08.29 photo@newsis.com *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]이다솜 기자 = 배터리 음극에 흑연 대신 리튬메탈을 적용하는 '리튬메탈배터리'가 차세대 제품으로 떠오르고 있다. 에너지 밀도를 높여 부피를 줄이고 충전 속도를 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 실제 상용화를 위해서는 '덴드라이트'라는 난제를 해결하는 것이 관건이다.

29일 배터리업계에 따르면 LG에너지솔루션, SK온 등 국내 배터리사들은 리튬메탈배터리 개발을 진행 중이다.

직접 배터리 개발을 시도하고 있는 현대차그룹도 미국 솔리드에너지시스템(SES)와 공동으로 개발 중이다. 지난 상반기 B-샘플 개발을 시작했으며 내년 하반기 의왕연구소에 관련 연구개발(R&D) 시설을 구축할 방침이다.

리튬메탈배터리는 음극재에 주로 흑연이 활용되는 리튬이온배터리와 달리 리튬메탈을 적용한 제품이다. 리튬메탈의 이론 용량(전극소재 내 저장할 수 있는 최대 리튬이온 함량)이 흑연 대비 10배 이상 높아 에너지 밀도를 대폭 높일 수 있는 것이 특징이다.

배터리가 차지하는 부피도 줄일 수 있다. 리튬의 밀도는 약 0.534g/㎥으로 흑연보다 단위질량당 용량이 10배 이상 커 음극의 두께를 얇게 만드는 것이 가능하다. 동일한 공간에 더 많은 전기에너지를 저장할 수 있어 탑재된 제품의 사용시간을 늘리는 데 적합하다.

충전 속도를 높일 수 있는 것도 장점이다. 리튬메탈배터리에서는 음극으로 이동한 리튬이온이 틈새를 찾을 필요 없이 표면에서 리튬금속으로 환원돼 빠른 속도로 충전이 가능하다.

기존 리튬이온배터리와 유사한 제조 공정으로 제작이 가능해 기존 리튬이온배터리의 제조 장비를 일부 활용할 수 있고, 빠른 공정 최적화도 이룰 수 있다.

그러나 실제 상용화를 위해서는 '덴드라이트'를 해결하는 것이 과제로 꼽힌다. 덴드라이트는 충전 과정에서 음극 표면에 리튬 결정이 형성돼 뾰족한 나뭇가지 모양의 결정체로 자라나는 현상이다.

덴드라이트의 크기가 커지면 분리막을 손상시키고 양극 표면까지 성장해 결국 양극과 음극의 내부 단락을 일으킨다. 리튬메탈의 부식을 유발하고, 결국 배터리의 수명과 안전성까지 저해할 수 있다.

이 같은 난제를 해결하기 위해 LG에너지솔루션은 2021년 KAIST와 리튬메탈배터리 관련 원천기술 개발을 위해 공동연구센터 FRL(Frontier Research Laboratory)를 설립했고, 2022년에는 프로젝트 팀을 새로 구성해 연구를 진행하고 있다.

오는 2027년 말 소용량 시스템용 배터리 양산을 시작으로, 고용량 시스템용 제품으로 확대하는 것이 목표다.

☞공감언론 뉴시스 citizen@newsis.com