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한양대학교 임희대 화학공학과 교수와 김병훈 성균관대 교수 공동 연구팀이 리튬 금속 전지의 수명과 안전성을 획기적으로 개선할 수 있는 혁신적인 전해질 기술을 개발했다”고 29일 밝혔다. 연구팀은 리튬 금속 계면에서 발생하는 부식과 전지 열화를 근본적으로 해결하는 ‘부식 방지형 전해질’을 통해 리튬 금속 전지 상용화의 핵심 난제를 풀 수 있는 중요한 전환점을 마련했다. 

전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 시장이 급성장함에 따라, 기존 리튬 이온 전지를 넘어서는 고성능 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 특히 리튬 금속 전지는 월등히 높은 에너지 밀도를 보유해 전기차, 드론, 항공우주 등 차세대 에너지 산업의 핵심 저장장치로 주목받고 있으나, 충·방전 시 리튬이 나뭇가지 모양으로 자라나는 ‘덴드라이트(dendrite)’ 현상이 상용화의 큰 걸림돌이었다. 이 현상은 배터리 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 내부 단락에 의한 화재나 폭발을 유발해 안정성에 심각한 위협이 되어 왔다.

그동안 학계는 전해질 조성을 변경해 덴드라이트 성장을 억제하려 노력했으나, 대부분 독성이 강한 과불화 화합물에 의존해 왔다. 이러한 물질은 환경에 유해할 뿐만 아니라 리튬 금속과 지속적인 화학 반응을 일으켜 오히려 배터리 수명을 단축시키는 부작용을 초래했다.

임 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 과불화 화합물을 완전히 배제하고, 방향족 탄화수소와 양친매성 용매를 조합한 새로운 전해질 설계 기법을 도입했다. 이 전해질은 리튬 음극 표면에 안정적인 보호막을 형성해 덴드라이트 성장을 억제하는 동시에, 전해질 자체가 리튬 금속을 부식시키는 반응을 근본적으로 차단한다.

임희대 교수는 “이번 연구는 리튬 금속 전지의 고질적 과제인 수명 저하와 안전성 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천 기술을 제시했다는 데 큰 의의가 있다”며 “이 부식 방지형 전해질 기술은 다양한 금속 전지 시스템에도 응용할 수 있어 배터리 산업 전반에 새로운 패러다임을 제공할 것”이라고 강조했다. 연구팀은 향후 전해질 조성의 최적화와 함께 대량 생산 가능성을 높이기 위한 후속 연구를 이어갈 계획이다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 성과는 재료과학 분야 국제 저명 학술지 『Advanced Materials』 1월호에 게재됐다. 해당 논문 「Fluorine-Free Corrosion-Resistant Electrolyte Design for Enhanced Stability in Lithium Metal Batteries」에는 한양대 조현민 박사과정생이 제1저자로, 한양대 임희대 교수와 성균관대 김병훈 교수가 교신저자로 참여했다.