삼성SDI 연구팀, ‘리튬메탈배터리’ 단점 해소한 기술 개발… 차세대 제품 상용화에 한 발짝

‘겔 고분자 전해질’로 리튬메탈 충방전 횟수 문제 해소
수명·안전성 동시 개선… 상용화 가능성↑
삼원계 대비 밀도 1.6배 높아 차세대 웨어러블 등 활용 가능
삼성SDI 국내·미국 연구소·컬럼비아대 공동 연구
국제 학술지 ‘줄’ 최신호 게재

겔 고분자 전해질 작용 기전 이미지. 줄(Joule)

삼성SDI가 주도하는 연구팀이 차세대 제품으로 꼽히는 리튬메탈배터리 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 기술을 개발했다.

삼성SDI는 미국 컬럼비아대학과 산학협력을 통해 리튬메탈배터리 수명과 안전성을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 전해질 조성을 개발하는 데 성공했다고 23일 밝혔다.

이번 연구는 현존하는 기술 가운데 에너지 밀도가 가장 높지만 수명이 상대적으로 짧은 리튬메탈배터리 한계를 극복하는데 중점을 뒀다. 리튬메탈배터리는 기존 삼원계배터리에 비해 에너지 밀도가 1.6배에 달하는 것으로 알려졌다. 이로 인해 차세대 웨어러블기기 등 미래 산업 핵심 기술 가운데 하나로 꼽힌다. 하지만 충방전 가능 횟수가 수십 회에 불과해 상용화에 제약이 있었다.

삼성SDI와 컬럼비아대 공동연구팀은 ‘겔 고분자 전해질’을 적용해 리튬메탈배터리 단점을 해소했다고 밝혔다. 수명을 늘리면서 동시에 안전성을 향상시켜 고질적인 문제를 해결할 수 있는 돌파구를 찾았다는 설명이다.

(왼쪽부터) 이승우 삼성SDI연구소 부사장, 김용석 삼성SDI미국연구소 소장, 위안양(Yuan Yang) 컬럼비아대 교수.

삼성SDI에 따르면 불소 성분을 활용한 겔 고분자 전해질을 개발해 음극 표면에서 안정적인 계면을 형성하는 방식으로 기존 리튬메탈배터리 성능 저해 요인이 됐던 덴드라이트를 효과적으로 억제했다. 덴드라이트는 배터리 충전 시 양극에서 음극으로 이동하는 리튬이 음극 표면에 쌓이면서 나타나는 결정체다. 배터리 수명과 안전성을 떨어뜨리는 요인이 된다.

이번 연구 결과는 차세대 배터리의 에너지 효율과 안전성을 대폭 개선할 수 있는 새로운 기술 접근법을 제시한 것으로 미래 배터리 시장 게임체인저가 될 것으로 기대하고 있다.

삼성SDI연구소가 주도한 관련 연구 논문은 에너지 분야 세계 최고 권위 학술지인 ‘줄(Joule)’ 최신호에 게재됐다. 학술지 줄은 세계 3대 학술지인 ‘셀(Cell)’을 발행하는 미국 ‘셀 프레스(Cell Press)’가 지난 2017년 창간한 에너지 분야 전문 학술지다. 세계적으로 영향력 있는 저널 가운데 하나로 꼽힌다.

국제 학술지 줄(Joule)에 게재된 삼성SDI 공동 연구팀 겔 고분자 전해질 연구 결과 요약. 줄(Joule)

논문에는 삼성SDI연구소 이승우 부사장과 우현식 프로, 삼성SDI미국연구소(SDIRA, SDI R&D America)의 김용석 소장과 양리(Yang Li)·위안위안마(Yuanyuan Ma) 프로, 컬럼비아대 위안양(Yuan Yang) 교수 등이 공동 저자로 등재됐다.

주용락 삼성SDI 연구소장(부사장)은 “이번 논문은 기존에 취약점으로 지적된 리튬메탈배터리의 안전성을 개선한 기술이 학술적으로 검증받았다는 데 의미가 있다”며 “앞으로도 국내외 연구 네트워크를 기반으로 차세대 배터리 기술 확보에 속도를 낼 것”이라고 말했다.

김민범 기자 mbkim@donga.com