KAIST와 LG에너지솔루션이 12분 충전으로 800㎞ 주행할 수 있는 전기자동차 기술을 실현했다.

KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수와 LG에너지솔루션이 공동 진행하는 프론티어연구소(FRL) 연구팀은 리튬메탈전지 성능을 획기적으로 높일 ‘응집 억제형 신규 액체 전해액’ 원천기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

이 기술은 기존 리튬이온전지가 최대 600㎞ 주행에 머물던 반면 1회 충전 800㎞, 누적 30만 ㎞ 이상 수명, 12분 초고속 충전이 가능하다.

리튬메탈전지는 리튬이온전지의 핵심 재료인 흑연 음극을 리튬메탈로 대체한다.

리튬메탈은 전지의 수명과 안정성 확보를 어렵게 하는 덴드라이트 현상을 해결하는 게 난제로 꼽힌다. 덴드라이트는 배터리 충전 떼 음극 표면에 형성되는 나뭇가지 모양의 리튬 결정체로, 배터리 성능과 안정성에 악영향을 미친다. 

덴드라이트 현상은 급속충전 시 더욱 심각하게 발생하며 전지내부 단락을 유발하기 때문에 급속충전 조건에서 재충전할 수 있는 리튬메탈전지 기술은 구현이 매우 어려웠다.

공동연구팀은 리튬메탈이 급속충전 시 덴드라이트 형성의 근본적 원인이 리튬메탈 표면에서 불균일한 계면 응집반응 때문임을 규명, 이 문제를 해결할 수 있는 응집 억제형 신규 액체 전해액을 개발했다. 

신규 액체 전해액은 리튬이온과 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 리튬 계면 상의 불균일성을 최소화하며, 급속 충전 시에도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 특징이 있다. 

이 기술은 높은 에너지밀도를 유지하면서도, 기존 리튬메탈전지에서 한계로 지적된 느린 충전속도를 극복, 긴 주행거리를 확보하면서도 급속충전으로 안정적 작동을 구현한다.

김제영 LG에너지솔루션 전무는 “LG에너지솔루션과 KAIST가 FRL을 통해 이어온 지난 4년간 협력이 유의미한 성과를 창출하고 있다”며 “산학 협력을 더욱 강화해 기술적 난제를 해결하고 차세대 배터리 분야에서 최고 성과를 창출하겠다”고 말했다.

김 교수는 “이번 연구는 계면구조 이해를 통해 리튬메탈전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가 됐다”며 “리튬메탈전지가 전기차에 도입되기 위한 가장 큰 장벽을 넘어섰다”고 평가했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 권혁진 박사가 제1저자로 참여했고, 연구결과는 3일 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재됐다.
(논문명 : Covariance of interphasic properties and fast chargeability of energy-dense lithium metal batteries ※ DOI: 10.1038/s41560-025-01838-1)