‘상온 고속충전’ 전고체 배터리 개발돼···LG엔솔 “기술적 한계 극복”

기존 60도 이상에서만 충전 가능하던 난제 해결
마이크로 실리콘 음극재 적용...획기적 성능 개선
최고 권위 국제학술지 '사이언스'에 논문 발표

LG에너지솔루션 오창 전기차 배터리 공장 생산라인./제공=LG에너지솔루션

LG에너지솔루션이 전고체 배터리 분야에서 혁신 기술 개발에 성공하며 상용화에 한걸음 다가섰다. 섭씨 60도 이상에서만 충전이 가능했던 기존 배터리의 기술적 한계를 넘어섰다는 평가다.

LG에너지솔루션은 미국 샌디에이고대(UCSD)와 공동연구를 통해 상온에서도 고속 충전이 가능한 장수명 전고체 배터리 기술을 개발했다고 24일 밝혔다. 실리콘을 적용한 전고체 배터리 중 상온에서 충방전 수명이 500회 이상인 건 이번이 처음이다.

이번 연구 논문은 이날 세계 최고 권위의 과학 저널 ‘사이언스(Science)’지에 실리며 그 성과를 인정 받았다.

전고체 배터리는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체함으로써 현재 사용 중인 리튬-이온 배터리보다 에너지 밀도를 높이고 안전성도 강화할 수 있는 차세대 배터리로 각광받고 있다.

다만 리튬 금속을 음극으로 적용한 기존 전고체 배터리의 경우 온도에 민감해 60도 이상의 고온에서만 충전할 수 있다보니 느린 충전 속도가 한계로 지적돼 왔다.

LG에너지솔루션과 UCSD가 공동 개발한 상온 구동 장수명 전고체 전지의 충전 진행 과정./제공=LG에너지솔루션

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전고체 배터리의 음극에서 도전재와 바인더를 제거하고 5um(마이크로미터) 내외의 입자 크기를 가진 ‘마이크로 실리콘 음극재’를 적용했다.

마이크로 실리콘 음극재는 기존 흑연 음극재에 비해 용량이 10배 높아 배터리의 에너지 밀도를 높이지만 충방전 과정에서 부피 변화가 커 실제 적용이 까다로운 소재로 알려져 있다.

또 기존 연구에서 실리콘 음극재의 부피 변화를 억제하기 위해 100nm(나노미터, 0.1마이크로미터) 이하의 입자 크기를 가진 나노 실리콘을 적용한 데 반해 본 연구에 적용된 마이크로 실리콘은 나노 실리콘보다 저렴하고 사용이 더 용이하다는 장점이 있다.

특히 500번 이상의 충전과 방전 이후에도 80% 이상의 잔존 용량을 유지하고, 에너지 밀도도 리튬이온 배터리에 비해 약 40% 높일 수 있어 전고체 배터리 상용화를 위한 기술적인 진일보를 이뤄냈다는 평가를 받았다.

이번 연구결과는 LG에너지솔루션이 오픈 이노베이션 차원에서 매년 개최하는 ‘배터리 이노베이션 콘테스트’ 지원 과제가 실제 성과로 이어진 것이라 더욱 의미가 있다고 회사 측은 설명했다.

김명환 LG에너지솔루션 최고제품책임자(CPO·사장)는 “이번 연구 결과를 통해 차세대 배터리로 각광받고 있는 전고체 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가가게 됐다”며 “앞으로도 적극적인 오픈 이노베이션 전략을 통해 차별화된 기술력으로 세계 시장을 선도해나갈 것”이라고 말했다.