KAIST와 LG에너지솔루션이 공동 연구를 통해 리튬메탈전지의 최대 난제로 꼽혀온 덴드라이트 문제를 해결할 수 있는 전해액 원천기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 이번 성과는 1회 충전 800km 주행, 누적 30만km 이상 수명, 12분 내 초고속 충전이 가능한 차세대 전기차 배터리 구현 가능성을 제시했다.

연구는 KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수가 이끄는 프론티어 연구소(FRL) 공동연구팀이 수행했다. 리튬메탈전지는 기존 리튬이온전지의 흑연 음극을 리튬메탈로 대체해 에너지 밀도를 크게 높일 수 있는 차세대 배터리로 평가받지만, 충전 과정에서 음극 표면에 나뭇가지 형태로 성장하는 ‘덴드라이트(Dendrite)’가 수명과 안전성을 저해하는 문제로 상용화에 제약이 있었다.

특히 급속 충전 시 덴드라이트 형성이 가속화돼 내부 단락(short-circuit) 위험이 커지는 점이 기술적 한계로 지적돼 왔다. 연구팀은 리튬메탈 표면에서 발생하는 불균일한 계면 응집반응이 덴드라이트 형성의 근본 원인임을 규명하고, 이를 억제할 수 있는 ‘응집 억제형 신규 액체 전해액’을 개발했다.

새 전해액은 리튬 이온(Li⁺)과 결합력이 낮은 음이온 구조를 적용해 리튬 계면의 불균일성을 최소화한다. 그 결과 급속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하면서 높은 에너지 밀도를 유지할 수 있다는 설명이다. 연구진은 이를 통해 기존 리튬메탈전지의 느린 충전 속도 한계를 극복하고, 장거리 주행과 고속 충전을 동시에 구현할 수 있는 기반을 마련했다고 밝혔다.

LG에너지솔루션 CTO 김제영 전무는 KAIST와의 4년간 협력을 통해 의미 있는 성과를 도출했다며, 산학 협력을 강화해 차세대 배터리 기술 난제를 지속적으로 해결하겠다고 말했다. 김희탁 교수는 이번 연구가 계면 구조 이해를 토대로 리튬메탈전지 상용화의 가장 큰 장벽을 넘는 계기가 됐다고 평가했다.

해당 연구는 KAIST 생명화학공학과 권혁진 박사가 제1저자로 참여했으며, 세계적 학술지 Nature Energy 9월 3일 자에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Covariance of interphasic properties and fast chargeability of energy-dense lithium metal batteries’(고에너지 밀도 리튬메탈전지에서 계면의 특성이 급속 충전 성능과 어떻게 연관되어 있는지를 규명한 연구)이며, DOI는 10.1038/s41560-025-01838-1이다.

이번 성과는 KAIST와 LG에너지솔루션이 2021년 설립한 프론티어 연구소(FRL)를 통해 도출됐다. 연구진은 차세대 리튬메탈전지 기술 고도화를 통해 전기차 배터리 시장의 기술 전환을 가속화한다는 계획이다.