LG엔솔–UCSD, 상온 사용 가능한 전고체 배터리 개발

LG에너지솔루션이 미국 샌디에이고 대학교(이하 UCSD)와 공동 연구를 통해 상온에서도 빠른 속도로 충전이 가능한 전고체 배터리 기술을 개발했다고 24일 밝혔다. 기존에는 60도 이상에서만 충전이 가능했고 수명도 짧았으나, 양측은 이번에 개발한 전고체 배터리가 이 같은 한계를 극복했다고 설명했다.

통상적으로 사용되는 배터리는 리튬이온 배터리다. 리튬 금속으로 만들어진 음극재와 양극재를 전해질이라는 액체 안에 넣고, 전기를 흘리면 전류가 이동하는 방식으로 구동된다. 리튬이온 배터리는 액체이기 때문에 안정적이지 않고 고성능을 구현하기에 에너지 밀도가 낮다는 한계가 있었다.

이에 반해 전고체 배터리는 리튬이온 배터리의 단점을 보완할 수 있다는 측면에서 차세대 배터리로 설명됐다. 전고체 배터리란 전해질 액체를 고체로 대체한 배터리를 말한다. 액체에 비해 고체는 안정적이며 밀도가 높은데, 전고체 배터리도 마찬가지로 전해질이 고체이기 때문에 안전성과 에너지 밀도가 비교적 높다.

세계적으로 전고체 배터리에 대한 연구는 진행되고 있었지만, 전고체 배터리는 온도에 민감하기 때문에 60도, 혹은 그 이상의 고온 환경에서만 충전할 수 있었다. 게다가 충전 속도도 느려 실제 차량에 적용하거나 일상적으로 사용하기에는 어려움이 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전고체 배터리의 음극 도전재와 바인더를 제거하고, 5마이크로미터 내외의 입자 크기를 가진 ‘마이크로 실리콘 음극재’를 적용했다.

여기서 실리콘 음극재는 과거에 사용되던 흑연 음극재에 비해 10배 높은 용량을 가지기 때문에 배터리의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 하지만 충·방전 중 부피가 심하게 변한다는 한계가 있다. 이를 해결하고자 연구진들은 그간 100나노미터 이하의 입자 크기를 가진 나노 실리콘을 적용하는 연구를 진행해 왔다.

LG에너지솔루션과 UCSD가 진행한 이번 연구는 기존 연구 방식에서 벗어나 5마이크로미터 내외의 음극재를 적용했다는 점에서 차이가 있다. 5마이크로미터 음극재를 사용하면 나노미터 단위의 실리콘을 사용할 때보다 가격 경쟁력을 갖출 수 있으며, 사용도 용이하다고 LG에너지솔루션 측은 강조했다.

또한 500번 이상의 충전과 방전 이후에도 80%이상의 잔존 용량을 유지하고, 현재 상용화된 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도를 약 40% 높일 수 있다는 것이 이 회사 측 주장이다.

김명환 LG에너지솔루션 CPO는 “UCSD와 함께 전고체 배터리에서의 의미 있는 기술 개발로 사이언스 저널에 실리게 돼 굉장히 기쁘고, 이번 연구 결과를 통해 차세대 배터리로 각광받고 있는 전고체 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가가게 됐다”며 “앞으로도 적극적인 오픈 이노베이션 전략을 통해 차세대 배터리 분야에서도 차별화된 기술력으로 세계 시장을 선도해 나갈 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 LG에너지솔루션이 오픈 이노베이션 차원에서 매년 개최하는 배터리 이노베이션 콘테스트(Battery Innovation Contest) 지원 과제가 실제 성과로 이어진 것이다. 연구 논문은 24일 과학 저널 ‘사이언스(Science)’지 373권 6562호에 실렸다.

글. 바이라인네트워크
<배유미 기자> youme@byline.network