[M 투데이 이상원기자] 미국 하버드대학교 연구진이 10분 만에 전기차를 풀충전할 수 있는 새로운 고체 배터리를 개발했다.

하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용과학 대학(SEAS) 연구진이 개발한 리튬금속배터리는 기존 파우치 배터리 셀보다 최소 6,000회 이상 충전 및 방전할 수 있다.

학술지 네이처 머터리얼즈(Nature Materials)에 발표된 이 연구는 리튬 금속 양극을 사용하여 전고체 배터리를 만드는 새로운 방법이다.

SEAS의 재료 과학 부교수이자 논문의 수석 저자인 신리(Xin Li)교수는 “우리 연구는 산업 및 상업용 응용 분야를 위한 보다 실용적인 전고체 배터리를 향한 중요한 단계”라고 말했다.

전고체 배터리를 설계할 때 가장 큰 문제는 양극 표면에 덴드라이트가 형성되는 것이다. 이는 수상돌기가 리튬 표면에 축적돼 전해질 속으로 뿌리처럼 자랄 수 있는 금속 돌출부로, 양극과 음극을 분리하는 분리막을 뚫어 배터리가 단락되거나 화재가 발생하는 경우도 발생한다.

수상돌기는 충전 중에 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하여 양극 표면에 부착될 때 형성된다. 이는 양극에 고르지 않고 비균질한 표면을 만든다.

연구팀은 지난 2021년 양극과 음극 사이에 다양한 안정성을 지닌 다양한 재료를 끼워 넣은 다층 배터리를 설계했다.

이 설계는 리튬 수상돌기를 제어하고 억제함으로써 리튬 수상돌기의 침투를 방지했지만 완전히 막지는 못했다.

이번 최신 연구에서 연구진은 리튬화 반응을 수축하고 두꺼운 리튬 금속 층의 균일한 도금을 촉진하기 위해 양극에 마이크론 크기의 실리콘 입자를 사용하여 수상돌기 형성을 완전히 틀어막았다.

충전 중에 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동할 때 리튬화 반응이 얕은 표면에서 수축되고 이온이 실리콘 입자 표면에 부착되지만 더 이상 침투하지는 않게 된 것이다.

연구진이 개발한 전고체 배터리는 6,000 싸이클 충전 후에도 용량의 80%를 유지해 현재 시중에 나와 있는 다른 파우치 셀 배터리보다 성능이 훨씬 뛰어나다고 연구진은 밝혔다.

하버드대 기술 개발국(Harvard Office of Technology Development )은 신리 교수와 세 명의 하버드 졸업생들이 공동 설립한 하버드 분사 스트트업인 아덴 에너지(Adden Energy)에 이 기술을 제공키로 했다.

아드덴에너지는 스마트폰 크기의 파우치 셀 배터리를 만드는 기술도 확보하고 있다.