중국이 획기적인 배터리 기술로 에너지 밀도(energy density)가 두 배로 늘어나 안전성과 수명이 향상됐다.

중국 과학자들은 테슬라의 최첨단 전기 자동차 배터리 보다 두 배나 많은 에너지를 저장할 수 있는 획기적인 리튬 금속 배터리를 개발했다고 영국의 인디펜던트가 18일(현지시간) 보도했다.

연구원들은 톈진대학교(天津大学, Tianjin University)에서 1kg당 600와트시(watt-hours)가 넘는 에너지 밀도를 가진 배터리를 만들었다.

에너지 밀도(단위 질량당 저장되는 에너지의 양)는 장치에 얼마나 많은 전력이 저장되는지를 결정한다. 에너지 밀도가 높을수록 배터리는 더 작고 가벼워질 수 있다.

리튬 금속 배터리(Lithium metal batteries)는 기존 리튬 이온 배터리(lithium ion batteries)보다 이론적인 에너지 밀도가 높은 것으로 알려져 있으며, 유망한 차세대 솔루션으로 여겨진다.

최신 배터리에서 달성된 에너지 밀도는 테슬라 셀(Tesla cell)의 300와트시/kg보다 두 배 높고, 비야디(BYD) 블레이드의 150와트시/kg보다 훨씬 높다.

지난 13일 네이처(Nature)저널에 발표된 연구 결과는 현재 ‘리튬 금속 배터리’의 에너지 밀도와 내구성 보다 200~300% 향상됐음을 보여준다.

리튬 배터리 전해질(Lithium battery electrolytes)은 일반적으로 용매화 구조(solvation structures, 즉 리튬 이온 주위에 용매 분자가 질서 있게 배열된 구조에 의존하는데, 이는 성능에 장애가 될 수도 있다.

이러한 배열은 리튬 이온을 안정화하는 반면, 충전 및 사용 중에 빠르고 균일한 리튬 침전을 방해한다. 이러한 구조는 배터리의 수명, 안전성, 에너지 밀도를 제한하여 상당한 문제를 야기할 수 있다.

연구진은 이 연구에서 “LMB(Lithium metal batteries)의 실제 적용은 본질적으로 지배적인 용매화 구조에 의존하는 현재의 전해질 설계에 의해 제한을 받는다”고 밝혔다.

새로운 배터리를 위해 연구진은 리튬 이온의 용매화 환경을 재구성하여 현재 전해질 설계의 한계를 극복했다고 신문은 전했다.

그들은 더욱 무질서하고 탈(脫)국소화 전해질(delocalized electrolyte) 용매화 미세환경을 갖춘 새로운 “탈국소화 전해질”을 개발하여, 이온 전달에 대한 장벽을 줄이고 안정성을 향상시켰다. 이는 배터리 성능과 사이클 수명의 두 가지 중요한 요소이다.

새로운 전해질 설계는 더욱 유동적인 리튬 이온 역학을 가능하게 하는 더욱 이질적인 환경을 제공한다.

과학자들이 일반적으로 사용되는 ‘고용량 리튬 금속 파우치 셀’(high-capacity lithium metal pouch cells)에서 이 전해질을 테스트했을 때, 100회 사이클 이상 안정적인 사이클을 유지하면서 kg당 604.2와트시라는 전례 없는 에너지 밀도를 제공했다.

이 에너지 밀도는 전기 자동차 배터리에 대한 “중국 제조 2025”(Made in China 2025) 계획에 따라 베이징이 설정한 목표 kg당 400와트시를 능가한다.

연구자들은 이미 드론용 고에너지 리튬 금속 배터리를 생산하기 위해 새로운 기술을 적용했다.