연구
< 사진 1. (앞줄 왼쪽부터) 생명화학공학과 권혁진 박사, 김희탁 교수, 기계공학과 김성수 교수 >
우리 연구진이 리튬메탈전지의 난제였던 덴드라이트 문제를 해결하며 전기차 배터리 기술의 새 시대를 열었다. 기존 리튬이온전지가 최대 600km 주행에 머물렀다면, 새 전지는 1회 충전 800km, 누적 30만 km 이상 수명, 12분 초고속 충전을 가능하게 했다.
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수와 LG에너지솔루션이 공동으로 진행하고 있는 프론티어 연구소(Frontier Research Laboratory, 이하 FRL) 연구팀이 ‘리튬메탈전지(Lithium metal battery)’의 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 ‘응집 억제형 신규 액체 전해액’ 원천기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
리튬메탈전지는 리튬이온 전지(Lithium-ion battery)의 핵심 재료 중 하나인 흑연 음극을 리튬메탈(Lithium metal)로 대체하는 것으로, 리튬메탈은 여전히 전지의 수명과 안정성 확보를 어렵게 하는‘덴드라이트(Dendrite)’라는 기술적 난제가 있다. 덴드라이트는 배터리 충전 시 음극 표면에 형성되는 나뭇가지 모양의 리튬 결정체로 배터리 성능과 안정성에 악영향을 미친다.
이 덴드라이트 현상은 급속 충전 시 더욱 심각하게 발생하며 전지의 내부 단락(short-circuit)을 유발하기 때문에, 아직 급속 충전 조건에서 재충전할 수 있는 리튬메탈전지의 기술은 구현이 매우 어려웠다.
FRL 공동연구팀은 리튬메탈이 급속 충전 시 덴드라이트 형성의 근본적 원인이 리튬메탈 표면에서 불균일한 계면 응집반응 때문임을 규명하고, 이 문제를 해결할 수 있는 ‘응집 억제형 신규 액체 전해액’을 개발했다.
신규 액체 전해액은 리튬 이온(Li⁺)과의 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 리튬 계면 상의 불균일성을 최소화하며, 급속 충전 시에도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 특징이 있다.
이 기술은 높은 에너지밀도(Energy Density)를 유지하면서도, 기존의 리튬메탈전지에서 한계로 지적되던 느린 충전 속도를 극복해, 긴 주행거리를 확보하면서도 빠른 충전에서도 안정적인 작동이 가능하다는 특징이 있다.
LG에너지솔루션의 CTO 김제영 전무는 “LG에너지솔루션과 KAIST가 FRL을 통해 이어온 지난 4년간의 협력이 유의미한 성과를 창출하고 있다”며 “앞으로도 산학 협력을 더욱 강화해 기술적인 난제를 해결하고 차세대 배터리의 분야에서도 최고의 성과를 창출해 나가겠다”고 말했다.
< 그림 1. KAIST-LGES FRL 리튬메탈전지 기술 관련 인포그래픽 >
생명화학공학과 김희탁 교수는 “이번 연구는 계면 구조에 대한 이해를 통해 리튬메탈전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가 됐고 리튬메탈전지가 전기차에 도입되기 위한 가장 큰 장벽을 넘어섰다”라고 평가했다.
이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 권혁진 박사가 제1 저자로 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 9월 3일 자 게재됐다.
※ 네이처 에너지(Nature Energy) : 2024년 Clarivate Analytics가 발표한 Journal impact factor에서 에너지 분야 182개 학술지 중 1위, 총 2만 1천여 개 학술지 중 23위를 기록
※ 논문명 : Covariance of interphasic properties and fast chargeability of energy-dense lithium metal batteries
※ DOI: 10.1038/s41560-025-01838-1
한편, 이번 연구는 KAIST와 LG에너지솔루션이 차세대 리튬메탈전지 기술 개발을 위해 2021년 설립한 프론티어 연구소(Frontier Research Laboratory, FRL, 연구소장 김희탁 교수)를 통해 이뤄졌다.
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연구 리튬메탈전지 화재 위험·부피·무게 모두 잡았다
리튬메탈전지는 기존 리튬이온전지를 대체할 차세대 고에너지 전지로 주목받고 있다. 하지만 불이 잘 붙는 액체 전해질을 사용할 경우 화재 위험이 높아 상용화가 어려웠다. 이를 해결하기 위한 대안으로 유연성을 가진 ‘유기 고체 전해질’이 제시되었으나, 상온에서 리튬 이온의 전달 속도가 느려 실용화에 한계가 있었다. 한국 연구진이 리튬 이온 이동성 100배 향상시키고 상온에서 작동하는 고체 전해질을 개발하는데 성공했다. 우리 대학은 28일, 화학과 변혜령 교수 연구팀이 서울대학교 손창윤 교수팀과 공동으로 상온에서도 안정적으로 작동하는 새로운 유기 고체 전해질 필름을 개발했다고 4일 밝혔다. 연구팀은 구멍이 일정하게 배열된 다공성 구조의 ‘공유결합유기골격구조체(COF, Covalent Organic Framework)’라는 신소재를 이용해 머리카락 굵기의 약 1/5수준(두께 약 20μm)의 고체 전해질을 제작했다. 이번에 개발된 COF
2025-11-04 -
연구 KAIST-LG에너지솔루션, 리튬금속전지 기술 혁신
리튬금속전지는 전기차의 주행거리를 크게 높일 수 있다는 것이 특징을 가지고 있다. 하지만, 리튬금속은 전지의 수명과 안정성 확보를 어렵게 하는 `덴드라이트(Dendrite)' 형성과 액체 전해액에 의한 지속적인 부식(Corrosion)이 발생하여 기술적 해결이 필요하다. 우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수와 LG에너지솔루션 공동연구팀이 차세대 전지로 주목받고 있는 `리튬금속전지(Lithium metal battery)'의 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 원천기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 공동연구팀은 1회 충전에 900km 주행, 400회 이상 재충전이 가능한 리튬금속전지 연구 결과를 공개했다. 기존 리튬이온전지(Lithium-ion battery)의 주행거리인 약 600km보다 50% 높은 수준이다. 공동연구팀은 리튬금속전지의 구현을 위해 기존에 보고되지 않은 `붕산염-피란(borate-pyran) 기반 액체 전해액'을 세계 최초로 적용, 리튬금속 음극의 기술적 난제
2023-12-07 -
행사 제10회 지식재산대상 수상자 선정
우리 대학이 ʻ제10회 지식재산대상ʼ 수상자로 LG에너지솔루션(대표이사 김종현)과 백만기 김앤장 변리사를 선정했다. 지난 8일 서울 도곡캠퍼스에서 열린 시상식은 코로나 상황을 고려해 청중이 없는 상패 전달과 기념촬영 행사로만 진행했다. 올해로 10회째를 맞은 ʻ지식재산대상ʼ은 국가 경쟁력의 핵심 원천인 지식재산의 기반 조성, 창출, 활용, 보호 활동을 통해 국가경쟁력 향상에 기여한 개인이나 단체에 대해 수여하는 상이다. 공적사항의 사회적 영향력에 비중을 두어 수상자를 선정하고 있다. LG에너지솔루션은 LG에너지솔루션이 과감한 특허 개발 투자를 통해 배터리 분야에서 세계 최다인 2만 6천여 건의 특허(2021.8월 말 공개 기준)를 확보한 점, 특허 및 기술 전문가가 핵심 연구 인력과 강하고 촘촘한 특허 창출을 목표로 IP R&D 프로젝트들을 가동하고 있는 점, 안전성 강화 분리막(SRS®) 특허 포트폴리오에 대해 경쟁사에 대한 글로벌 특허소송과 라이선스
2021-10-12 -
연구 세계 최고 수명을 지닌 불타지 않는 ESS(에너지저장시스템) 수계전지 개발
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수(나노융합연구소 차세대배터리센터) 연구팀이 아연 전극의 열화 메커니즘을 규명하고 이를 해결함으로써 전 세계에서 보고된 모든 레독스 흐름 전지 가운데 가장 오래가는 수명을 가지는 수계 아연-브롬 레독스 흐름 전지 개발에 성공했다고 5일 밝혔다. 생명화학공학과 이주혁 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `Energy and Environmental Science'에 최근(9월) 게재되는 한편 표지논문으로 선정됐다. (논문명: Dendrite-free Zn electrodeposition triggered by interatomic orbital hybridization of Zn and single vacancy carbon defects for aqueous Zn-based flow batteries) 최근 들어 신재생에너지의 간헐성을 보완하고 전력 피크 수요를 충당하기 위해 신재생에너지 및 심야 전력을 대용량으로 저장,
2020-10-05