KAIST–고려대 연구팀, ‘계면 불안정성’ 전자구조 설계로 해결… 덴드라이트 억제와 고전류 구동 동시 구현

전기차 시대, 배터리 한계와 마주하다

전기차 시장이 확대되면서 배터리 기술은 단순한 저장 장치를 넘어 산업 경쟁력을 좌우하는 핵심 요소로 자리 잡고 있다. 더 멀리 주행하고, 더 빠르게 충전하며, 더 오래 사용할 수 있는 배터리에 대한 요구는 점점 구체적이고 현실적인 조건으로 압축되고 있다. 기존 리튬이온(Lithium-ion) 배터리는 이미 상용화 단계에서 성숙한 기술이지만, 에너지 밀도 측면에서 구조적 한계가 존재한다. 이 한계를 뛰어넘을 차세대 기술로 리튬금속(Lithium metal) 배터리가 주목받아 왔다. 리튬금속 음극은 동일 무게의 흑연 대비 10배 이상의 이론 용량을 제공할 수 있어 주행거리 확대의 핵심 후보로 평가된다. 그러나 실제 상용화 단계로 넘어가지 못한 이유는 분명했다. 충전 과정에서 형성되는 ‘덴드라이트(Dendrite)’ 때문이다.

덴드라이트는 충전 중 리튬이 음극 표면에 균일하게 쌓이지 못하고 바늘 모양으로 성장하는 결정체를 의미한다. 이 구조가 계속 자라면 분리막을 손상시키고 내부 단락을 유발해 화재 위험으로 이어질 수 있다. 수명 저하와 안전성 문제를 동시에 일으키는 핵심 요인이다. 문제의 근원은 ‘고체 전해질 계면층(SEI, Solid Electrolyte Interphase)’의 불안정성에 있다. 충·방전 과정에서 전해질이 분해되며 음극 표면에 형성되는 이 보호막이 균일하지 않거나 구조적으로 단단하면, 리튬 이온의 이동이 특정 지점에 집중되는 병목 현상이 발생한다. 이는 덴드라이트 형성을 가속하는 구조적 원인이 된다. 기존 연구는 전해질 첨가제를 통해 피막의 성분을 제어하는 방식에 집중해 왔다. 하지만 급격한 부피 변화에 따른 구조적 열화와 낮은 이온 전도성 문제는 여전히 해결되지 않은 채 남아 있었다.

KAIST 생명화학공학과 최남순 교수팀과 신소재공학과 홍승범 교수팀, 고려대학교 곽상규 교수팀은 이 문제를 ‘전자 구조’ 수준에서 접근했다. 연구진은 전해질에 ‘티오펜(Thiophene)’을 첨가해 리튬금속 표면에 형성되는 계면층의 전자 구조를 설계했다. 티오펜은 π-공액(π-conjugated) 구조를 갖는 유기 화합물로, 전자가 분자 내에서 넓게 퍼져 이동할 수 있는 특성을 지닌다. 연구진은 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해, 리튬 이온이 이동할 때마다 계면 내부의 전하 분포가 유연하게 재배열되는 현상을 확인했다. 이는 단순히 보호막을 강화하는 방식이 아니라, 리튬 이온 이동 경로를 스스로 조정하는 ‘지능형 통로’를 형성하는 방식이다. 기존 상용 첨가제인 FEC, VC와 비교했을 때, 티오펜 기반 계면층은 높은 전류 밀도 조건에서도 균열을 억제하며 안정적인 구조를 유지하는 것으로 분석됐다. 이번 연구의 실험적 의미는 구체적 수치에서 확인된다. 연구팀은 8mA/cm² 이상의 고전류 조건에서 안정적인 구동을 구현했다. 리튬금속 배터리 연구 분야에서 통상 4mA/cm² 수준도 고전류로 평가되는 점을 감안하면, 이는 실제 전기차 고속 충전 환경에 근접한 조건이다. 또한 12분 내 고속 충전 조건에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제했다. 고속 충전과 긴 수명이라는 상충하는 두 조건을 동시에 만족시킨 것이다. 실시간 원자간력 현미경(in-situ AFM)을 활용한 나노 스케일 관찰 결과, 티오펜 첨가제를 사용한 경우 리튬이 표면에 매끄럽고 균일하게 전착 및 탈리되는 양상이 확인됐다. 반면 기존 전해질이나 FEC, VC 환경에서는 거칠고 불균일한 성장 패턴이 관찰됐다.

고속 충·방전 사이클 테스트에서도 차이가 나타났다. 기존 전해질 시스템은 약 40회 이전에 성능이 급격히 저하된 반면, 티오펜 기반 전해질은 100회 이상 사이클 동안 초기 용량을 안정적으로 유지하며 100%에 가까운 쿨롱 효율을 기록했다. 이는 상용화 가능성을 실험적으로 뒷받침하는 지표다. 이번 기술은 특정 양극 소재에 한정되지 않는다. 리튬 인산철(LiFePO4), 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈-코발트-망간 산화물(NCM) 등 현재 상용화된 다양한 양극 시스템에 적용 가능함을 확인했다.

이는 완전히 새로운 배터리 플랫폼을 요구하는 기술이 아니라, 기존 산업 구조 위에 확장 적용 가능한 설계 전략이라는 점에서 산업적 의미가 크다. 전기차뿐 아니라 도심항공모빌리티(UAM), 고밀도 에너지 저장 시스템 등 고출력이 요구되는 미래 산업 분야로 확장될 가능성도 제시된다.

이번 연구는 단순한 소재 개선이 아니라, 고체 전해질 계면층의 전자 구조를 설계 대상으로 삼았다는 점에서 접근 방식의 전환을 보여준다. π-공액 기반 설계와 실시간 나노 분석 기술을 결합해 계면 불안정성이라는 근본 문제를 해결하려는 시도다.

리튬금속 배터리는 오랫동안 ‘꿈의 배터리’로 불려왔지만, 실제 상용화 단계까지는 여전히 넘어야 할 기술적·경제적 검증 과정이 남아 있다. 다만 이번 연구는 고속 충전과 수명 안정성이라는 핵심 조건을 동시에 달성할 수 있는 설계 전략을 제시했다는 점에서 상용화 가능성을 한 단계 끌어올린 사례로 평가된다.

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