삼성SDI-美 연구팀, 리튬메탈 배터리 상용화 난제 풀었다

수명-안전성 개선 전해질 기술 개발
글로벌 에너지 학술지에 논문 게재

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

삼성SDI가 주도하는 한미 공동연구팀이 ‘차세대 배터리’로 불리는 리튬메탈 배터리의 수명과 안전성을 늘리는 기술을 개발했다. 23일 삼성SDI는 미국 컬럼비아대와의 산학협력을 통해 리튬메탈 배터리에 적용할 수 있는 새로운 전해질 조성을 개발했다고 밝혔다.

리튬메탈 배터리는 기존 삼원계(NCM) 배터리에 비해 에너지 밀도가 1.6배가량 높다. 작은 공간에 많은 양의 에너지를 담는 웨어러블 기기 등에 사용할 수 있어 핵심 기술 가운데 하나로 꼽힌다. 다만 리튬메탈 배터리는 수십 번 충전과 방전을 반복하면 수명이 다해 그동안 상용화에 제약이 있었다.

삼성SDI와 컬럼비아대 공동연구팀은 ‘겔 고분자 전해질’을 적용해 리튬메탈 배터리의 성능 저해 요인으로 꼽히는 ‘덴드라이트’를 효과적으로 억제하는 데 성공했다. 덴드라이트는 배터리를 충전하거나 사용할 때 양극과 음극 사이를 오가는 리튬 이온의 일부가 제대로 이동하지 못하고 축적되면서 생기는 날카로운 가시 모양의 물질이다. 덴드라이트가 많이 쌓이면 분리막을 손상시켜 화재가 발생할 위험이 있고, 배터리 수명도 줄어든다.

겔 고분자 전해질 작용 기전 이미지. 줄(Joule)

연구팀은 이 같은 문제를 겔 형태의 고분자 전해질을 적용해 해결했다. 기존 액체 전해질에 비해 밀도가 높은 겔 형태의 전해질이 물리적으로 덴드라이트 형성을 억제하고, 화재 위험을 낮추는 것이다. 이번 논문은 에너지 분야 권위지인 ‘줄’ 최신호에 게재됐다.

주용락 삼성SDI 연구소장(부사장)은 “이번 논문은 리튬메탈 배터리의 안전성 개선 기술이 학술적으로 검증을 받았다는 데 의미가 크다”고 말했다. 위안 양 컬럼비아대 교수는 “이번 연구로 차세대 배터리 상용화에 한 걸음 다가서게 될 것”이라고 밝혔다.

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