차세대 배터리 길 열렸다…200회 충전해도 성능 90% 유지

홍콩 연구진이 차세대 리튬메탈 배터리의 에너지 밀도와 안정성을 크게 높이는 기술을 개발했다.

22일 홍콩과학기술대학교(HKUST) 연구팀은 '동적 통합 인터페이스 공학' 전략으로 기존 상용 배터리와 비슷한 수준의 에너지 밀도를 갖는 음극 없는 리튬메탈 배터리를 구현했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다.

연구팀이 개발한 파우치 셀은 킬로그램당 467와트시(Wh/kg)의 비에너지를 달성했다. 코인 셀 형태의 배터리는 200회 충전과 방전을 반복한 후에도 초기 용량의 90%를 유지했다.

리튬메탈은 이론적 비장용량이 높지만, 음극 없는 배터리에 사용되는 구리 집전체는 리튬과 친화력이 낮아 리튬이 불균일하게 쌓이고 덴드라이트(나뭇가지 모양의 결정)가 성장하는 문제가 있었다. 이는 배터리 수명과 안정성을 저해하는 요인으로 꼽혔다.

연구팀은 은 이온과 음이온으로 구성된 'AMI' 첨가제를 도입해 이 문제를 해결했다. AMI 첨가제는 구리 집전체의 리튬 친화성을 높여 덴드라이트 생성을 막는다.

또한 이 첨가제는 전해질의 중합 반응을 유도해 안정적인 고체전해질계면(SEI) 겔을 형성한다. 이 겔은 리튬 이온의 빠른 이동을 가능하게 하고 배터리 안정성을 높여 덴드라이트 성장을 억제한다.

연구를 이끈 샤오민화 교수는 "AMI는 셀 조립 후 제어된 공정을 통해 집전체를 변형하고 견고한 SEI를 형성하는 등 여러 기능을 통합적으로 수행한다"며 "이를 통해 더 가볍고 오래 지속되는 차세대 배터리 개발의 토대를 마련했다"고 설명했다.