새로운 배터리, 단 12분 만에 전기차 충전
- 에너지 / 문광주 기자 / 2025-09-09 10:13:30
4분 읽기
- 새롭게 개발된 전해질에 포함된 음이온은 리튬 양이온(Li+)과 너무 강하게 결합하지 않으면서 리튬 금속에 더 잘 부착되는 것으로 나타나.
- 전해질염 LiAsF6는 완전히 친환경적인 것 아니다., 대안으로 비소대신 비극성이며 크기가 큰 테트라페닐보레이트 음이온(BPh4−)을 도입하는 고급 LiPF6 전해질 조성을 제안
오늘날 전기차는 일반적으로 리튬 이온 배터리를 사용한다. 흑연 대신 금속 리튬으로 양극을 만든 리튬 금속 배터리가 더 적합할 것이다. 이러한 배터리는 에너지 밀도가 높아 더 작고 가볍다. 전해질 기술의 발전 덕분에 리튬 금속 배터리는 일회용 제품이 아니다. 하지만 여전히 수명이 제한적이고 재충전이 어렵고 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 따라서 전기차에는 적합하지 않다.
문제:
배터리 충전 중 리튬 음극 표면에 덴드라이트(dendrite:작은 나뭇가지 모양의 리튬 결정)가 형성된다. 또한, 리튬 조각이 이 덴드라이트에서 떨어져 나와 전해액에 축적된다. 이는 배터리의 성능과 안정성에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 덴드라이트와 분리는 특히 급속 충전 시 문제가 심각하며, 심각한 경우에는 단락이나 폭발을 일으킬 수도 있다.
새로운 전해액 솔루션 테스트 중
한국과학기술원(KAIST) 권혁진 교수가 이끄는 연구진은 덴드라이트 문제를 해결하는 새로운 버전의 리튬 금속 배터리를 개발했다. 이 배터리는 배터리 성능을 향상시키고 전기차의 충전 빈도와 속도를 높일 수 있다.
연구진은 테스트 배터리에 테트라하이드로피란(THP)과 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC) 용매 혼합물에 다양한 리튬염을 혼합한 피란 기반 유기 전해액 솔루션을 사용했다. 이러한 전해질들은 용해된 음이온이 리튬 이온에 얼마나 강하게 결합하는지에 따라 주로 차이를 보였다. 리튬염에는 LiTFSI, LiNO3, LiDFOB, LiBF4, LiClO4, LiFSI, LiPF6, LiAsF6가 포함되었다. 연구팀은 각 전해질을 여러 차례 급속 충전한 후 전자 현미경과 분광법을 사용하여 덴드라이트 형성과 그로 인한 분자들을 분석했다.
중요한 것은 계면
분석 결과, 새롭게 개발된 전해질에 포함된 음이온은 리튬 양이온(Li+)과 너무 강하게 결합하지 않으면서도 리튬 금속에 더 잘 부착되는 것으로 나타났다. 권 교수와 동료들은 이를 통해 이전에 최신 전해질을 사용했을 때보다 배터리 계면이 더욱 균일해졌다고 설명했다.
따라서 이번에 테스트된 음이온은 리튬 결정 침전물의 양이온 수와 크기를 줄였고, 리튬 음극의 형태를 대체로 유지했다. 이를 통해 성능 저하 없이 배터리를 반복적이고 빠르게 재충전할 수 있었다. AsF6−와 PF6−가 가장 우수한 성능을 보였고, FSI−와 TFSI−가 그 뒤를 이었습니다. 반면 DFOB−, CIO4−, BF4−, NO3−는 성능이 떨어졌다.
다중 그리고 빠른 충전 가능
연구팀은 배터리 성능이 적절한 음이온 선택에 달려 있다고 설명한다. 이후 성능 테스트를 통해 새로운 전해질 구조가 급속 충전 중에도 리튬 음극의 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 것으로 확인되었다. 연구진은 "고성능 및 고에너지 셀 설계를 갖춘 두 가지 배터리 형식을 테스트했다"고 밝혔다.
결과:
기존에는 30분이 훨씬 넘게 걸렸지만, 이 배터리 중 하나는 단 12분 만에 70%, 다른 하나는 17분 만에 80%까지 충전할 수 있었다. 고성능 배터리 셀은 최소 350회, 고에너지 셀은 180회 이상 충전할 수 있었다.
이전에는 전기차에 사용되었던 리튬 이온 배터리와 달리, 이 리튬 금속 배터리는 한 번 충전으로 600km가 아닌 800km까지 주행할 수 있다고 연구팀은 보고했다. 배터리 수명은 30만 킬로미터가 넘는다. 새로운 디자인은 빠른 충전 시에도 장거리 주행과 안정적인 작동을 가능하게 한다.
전기차용 리튬 금속 배터리의 가능성
"이번 연구는 전기차용 리튬 금속 배터리 도입의 가장 큰 장애물을 극복했다"고 KAIST 김희탁 선임연구원은 말했다. 이 배터리가 장착되면 전기차는 일상생활에 훨씬 더 적합하고 다재다능해질 것이다.
전해질염 LiAsF6는 완전히 친환경적인 것은 아니다. 하지만 연구진은 이 문제에 대한 해결책도 제시했다. 연구팀은 "잠재적인 상용화에 필요한 실질적인 요건을 충족하고 잠재적으로 독성이 있는 비소 화합물의 사용을 피하기 위해, 비극성이며 크기가 큰 테트라페닐보레이트 음이온(BPh4−)을 도입하는 고급 LiPF6 전해질 조성을 제안했다"고 밝혔다. 초기 시험에서 이 음이온을 사용한 배터리는 더욱 우수한 결과를 얻었으며, 따라서 전기차에 매우 적합할 것으로 예상된다.
향후 후속 연구를 통해 리튬 금속 배터리를 위한 새로운 전해질 전략이 전기차에 실제로 얼마나 적합한지 입증할 것이다. 예를 들어, 상하이기술대학교의 웨이 류(Wei Liu)는 연구와 함께 제공된 논평에서 완전 방전 후 0%와 100%까지 재충전하는 것이 얼마나 효과적인지는 아직 불확실하다고 지적했다.
참고: Nature Energy, 2025; doi: 10.1038/s41560-025-01838-1
출처: 한국과학기술원(KAIST)
- 새롭게 개발된 전해질에 포함된 음이온은 리튬 양이온(Li+)과 너무 강하게 결합하지 않으면서 리튬 금속에 더 잘 부착되는 것으로 나타나.
- 전해질염 LiAsF6는 완전히 친환경적인 것 아니다., 대안으로 비소대신 비극성이며 크기가 큰 테트라페닐보레이트 음이온(BPh4−)을 도입하는 고급 LiPF6 전해질 조성을 제안
새로운 배터리, 단 12분 만에 전기차 충전
향상된 리튬 금속 배터리, 전기차의 일상생활 적응성 높여
전기차 배터리의 혁신? 연구진은 단 몇 분 만에 충전이 가능한 새로운 리튬 금속 배터리를 개발했다. 이는 리튬 이온과 약하게 결합하는 음이온을 함유한 특수 전해질 용액 덕분에 가능하다. 이로 인해 배터리 성능 저하를 초래할 수 있는 리튬 음극 계면에 형성되는 결정이 현저히 줄어든다. 따라서 이러한 유형의 배터리는 전기차에 처음으로 적용하기에 적합하며, 빠른 충전 속도와 긴 주행 거리 덕분에 일상생활에 더욱 적합할 수 있다.
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| ▲ 리튬 금속 배터리는 지금까지 재충전이 어렵고 속도가 느렸다. |
오늘날 전기차는 일반적으로 리튬 이온 배터리를 사용한다. 흑연 대신 금속 리튬으로 양극을 만든 리튬 금속 배터리가 더 적합할 것이다. 이러한 배터리는 에너지 밀도가 높아 더 작고 가볍다. 전해질 기술의 발전 덕분에 리튬 금속 배터리는 일회용 제품이 아니다. 하지만 여전히 수명이 제한적이고 재충전이 어렵고 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 따라서 전기차에는 적합하지 않다.
문제:
배터리 충전 중 리튬 음극 표면에 덴드라이트(dendrite:작은 나뭇가지 모양의 리튬 결정)가 형성된다. 또한, 리튬 조각이 이 덴드라이트에서 떨어져 나와 전해액에 축적된다. 이는 배터리의 성능과 안정성에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 덴드라이트와 분리는 특히 급속 충전 시 문제가 심각하며, 심각한 경우에는 단락이나 폭발을 일으킬 수도 있다.
새로운 전해액 솔루션 테스트 중
한국과학기술원(KAIST) 권혁진 교수가 이끄는 연구진은 덴드라이트 문제를 해결하는 새로운 버전의 리튬 금속 배터리를 개발했다. 이 배터리는 배터리 성능을 향상시키고 전기차의 충전 빈도와 속도를 높일 수 있다.
연구진은 테스트 배터리에 테트라하이드로피란(THP)과 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC) 용매 혼합물에 다양한 리튬염을 혼합한 피란 기반 유기 전해액 솔루션을 사용했다. 이러한 전해질들은 용해된 음이온이 리튬 이온에 얼마나 강하게 결합하는지에 따라 주로 차이를 보였다. 리튬염에는 LiTFSI, LiNO3, LiDFOB, LiBF4, LiClO4, LiFSI, LiPF6, LiAsF6가 포함되었다. 연구팀은 각 전해질을 여러 차례 급속 충전한 후 전자 현미경과 분광법을 사용하여 덴드라이트 형성과 그로 인한 분자들을 분석했다.
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| ▲ 리튬 금속 배터리 인포그래픽. © KAIST |
중요한 것은 계면
분석 결과, 새롭게 개발된 전해질에 포함된 음이온은 리튬 양이온(Li+)과 너무 강하게 결합하지 않으면서도 리튬 금속에 더 잘 부착되는 것으로 나타났다. 권 교수와 동료들은 이를 통해 이전에 최신 전해질을 사용했을 때보다 배터리 계면이 더욱 균일해졌다고 설명했다.
따라서 이번에 테스트된 음이온은 리튬 결정 침전물의 양이온 수와 크기를 줄였고, 리튬 음극의 형태를 대체로 유지했다. 이를 통해 성능 저하 없이 배터리를 반복적이고 빠르게 재충전할 수 있었다. AsF6−와 PF6−가 가장 우수한 성능을 보였고, FSI−와 TFSI−가 그 뒤를 이었습니다. 반면 DFOB−, CIO4−, BF4−, NO3−는 성능이 떨어졌다.
다중 그리고 빠른 충전 가능
연구팀은 배터리 성능이 적절한 음이온 선택에 달려 있다고 설명한다. 이후 성능 테스트를 통해 새로운 전해질 구조가 급속 충전 중에도 리튬 음극의 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 것으로 확인되었다. 연구진은 "고성능 및 고에너지 셀 설계를 갖춘 두 가지 배터리 형식을 테스트했다"고 밝혔다.
결과:
기존에는 30분이 훨씬 넘게 걸렸지만, 이 배터리 중 하나는 단 12분 만에 70%, 다른 하나는 17분 만에 80%까지 충전할 수 있었다. 고성능 배터리 셀은 최소 350회, 고에너지 셀은 180회 이상 충전할 수 있었다.
이전에는 전기차에 사용되었던 리튬 이온 배터리와 달리, 이 리튬 금속 배터리는 한 번 충전으로 600km가 아닌 800km까지 주행할 수 있다고 연구팀은 보고했다. 배터리 수명은 30만 킬로미터가 넘는다. 새로운 디자인은 빠른 충전 시에도 장거리 주행과 안정적인 작동을 가능하게 한다.
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| ▲ 이 배터리가 장착되면 전기차는 일상생활에 훨씬 더 적합하고 다재다능해질 것이다. |
전기차용 리튬 금속 배터리의 가능성
"이번 연구는 전기차용 리튬 금속 배터리 도입의 가장 큰 장애물을 극복했다"고 KAIST 김희탁 선임연구원은 말했다. 이 배터리가 장착되면 전기차는 일상생활에 훨씬 더 적합하고 다재다능해질 것이다.
전해질염 LiAsF6는 완전히 친환경적인 것은 아니다. 하지만 연구진은 이 문제에 대한 해결책도 제시했다. 연구팀은 "잠재적인 상용화에 필요한 실질적인 요건을 충족하고 잠재적으로 독성이 있는 비소 화합물의 사용을 피하기 위해, 비극성이며 크기가 큰 테트라페닐보레이트 음이온(BPh4−)을 도입하는 고급 LiPF6 전해질 조성을 제안했다"고 밝혔다. 초기 시험에서 이 음이온을 사용한 배터리는 더욱 우수한 결과를 얻었으며, 따라서 전기차에 매우 적합할 것으로 예상된다.
향후 후속 연구를 통해 리튬 금속 배터리를 위한 새로운 전해질 전략이 전기차에 실제로 얼마나 적합한지 입증할 것이다. 예를 들어, 상하이기술대학교의 웨이 류(Wei Liu)는 연구와 함께 제공된 논평에서 완전 방전 후 0%와 100%까지 재충전하는 것이 얼마나 효과적인지는 아직 불확실하다고 지적했다.
참고: Nature Energy, 2025; doi: 10.1038/s41560-025-01838-1
출처: 한국과학기술원(KAIST)
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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