우리가 매일 쓰는 스마트폰이나 전기차에는 리튬 이온 배터리가 들어갑니다. 하지만 과학자들은 이미 그 다음 단계를 준비하고 있죠. 바로 ‘꿈의 배터리’라 불리는 리튬 금속 배터리입니다. 리튬 금속은 기존 배터리보다 훨씬 많은 에너지를 저장할 수 있지만, 치명적인 약점이 하나 있습니다. 바로 액체 전해질과 만났을 때 생기는 불안정한 반응이죠. 이를 해결하기 위해 최근 화학계에서는 분자의 구조를 직접 편집하는 이른바 ‘산소 원격 불소화’ 기술이 주목받고 있습니다.

배터리 내부에서 이온이 이동하는 통로 역할을 하는 전해액은 마치 자동차가 달리는 도로와 같습니다. 지금까지는 ‘에테르’라는 물질이 이 도로의 재료로 인기를 끌었죠. 이온을 아주 빠르게 이동시키기 때문입니다. 하지만 에테르는 고전압에서 쉽게 망가진다는 단점이 있었습니다. 여기서 한 가지 생각해볼 게 있습니다. 도로가 매끄러워야 차가 잘 달리는 것처럼, 전해액도 배터리의 전극과 만나는 지점에서 단단한 보호막을 만들어야 합니다. 과학자들은 이 도로의 분자 구조 끝부분에 ‘불소’라는 원소를 전략적으로 배치해 이 문제를 해결하기 시작했습니다.

분자 끝을 바꿔 성능을 높이는 ‘스켈레톤 편집’

산소 원격 불소화란 말이 조금 어렵게 들릴 수 있습니다. 쉽게 말해 전해액의 뼈대(스켈레톤)에서 산소와 조금 떨어진 위치에 불소를 딱 붙여주는 기술입니다. 이렇게 하면 전해액이 리튬 금속과 만났을 때, 훨씬 단단하고 고른 보호막을 형성하게 됩니다. 결과적으로 배터리를 충전하고 방전할 때 생기는 뾰족한 결정체(덴드라이트)가 자라나는 것을 막아주죠. 덴드라이트는 배터리 내부에서 화재를 일으키는 주범인데, 이를 화학적으로 차단하는 셈입니다.

이 기술의 가장 큰 매력은 단순히 성능만 좋아지는 게 아니라, 대량 생산이 가능한 ‘확장성’을 갖췄다는 점입니다. 복잡한 공정 대신 효율적인 합성 경로를 통해 분자를 편집할 수 있기 때문에, 앞으로 배터리 가격을 낮추면서도 성능은 획기적으로 높일 수 있는 발판이 마련된 것이죠. 전문가들은 이 기술이 상용화되면 전기차의 주행 거리가 지금보다 비약적으로 늘어날 것으로 보고 있습니다.

한국의 기술력, 유독가스 줄이고 안정성 잡았다

최근 한국생산기술연구원에서도 이와 결을 같이 하는 놀라운 연구 결과를 내놓았습니다. 황화물계 고체전해질에 염소와 안티몬, 그리고 산소를 조합한 새로운 소재를 개발한 것인데요. 이 연구가 중요한 이유는 전고체 배터리의 고질적인 문제인 ‘수분 취약성’을 해결했기 때문입니다. 황화물계 소재는 물기에 닿으면 달걀 썩는 냄새가 나는 유독한 황화수소 가스를 내뿜는데, 연구팀이 개발한 소재는 이 발생량을 획기적으로 줄였습니다.

실험 결과, 상대습도가 50%나 되는 습한 환경에 24시간 동안 노출해도 기존 소재는 진흙처럼 변하며 성질이 변했지만, 새로 개발된 소재는 단단한 고체 상태를 그대로 유지했습니다. 이온이 움직이는 속도도 더 빨라졌죠. 기업들의 움직임도 분주합니다. 한농화성 같은 기업은 정부 과제를 통해 리튬 금속 고분자 전지에 들어가는 핵심 소재를 주관하며 연구개발의 중심축 역할을 하고 있습니다.

우리가 매일 쓰는 스마트폰이나 전기차에는 리튬 이온 배터리가 들어갑니다. 하지만 과학자들은 이미 그 다음 단계를 준비하고 있죠. 바로 ‘꿈의 배터리’라 불리는 리튬 금속 배터리입니다. 리튬 금속은 기존 배터리보다 훨씬 많은 에너지를 저장할 수 있지만, 치명적인 약점이 하나 있습니다. 바로 액체 전해질과 만났을 때 생기는 불안정한 반응이죠. 이를 해결하기 위해 최근 화학계에서는 분자의 구조를 직접 편집하는 이른바 ‘산소 원격 불소화’ 기술이 주목받고 있습니다.

배터리 내부에서 이온이 이동하는 통로 역할을 하는 전해액은 마치 자동차가 달리는 도로와 같습니다. 지금까지는 ‘에테르’라는 물질이 이 도로의 재료로 인기를 끌었죠. 이온을 아주 빠르게 이동시키기 때문입니다. 하지만 에테르는 고전압에서 쉽게 망가진다는 단점이 있었습니다. 여기서 한 가지 생각해볼 게 있습니다. 도로가 매끄러워야 차가 잘 달리는 것처럼, 전해액도 배터리의 전극과 만나는 지점에서 단단한 보호막을 만들어야 합니다. 과학자들은 이 도로의 분자 구조 끝부분에 ‘불소’라는 원소를 전략적으로 배치해 이 문제를 해결하기 시작했습니다.

분자 끝을 바꿔 성능을 높이는 ‘스켈레톤 편집’

산소 원격 불소화란 말이 조금 어렵게 들릴 수 있습니다. 쉽게 말해 전해액의 뼈대(스켈레톤)에서 산소와 조금 떨어진 위치에 불소를 딱 붙여주는 기술입니다. 이렇게 하면 전해액이 리튬 금속과 만났을 때, 훨씬 단단하고 고른 보호막을 형성하게 됩니다. 결과적으로 배터리를 충전하고 방전할 때 생기는 뾰족한 결정체(덴드라이트)가 자라나는 것을 막아주죠. 덴드라이트는 배터리 내부에서 화재를 일으키는 주범인데, 이를 화학적으로 차단하는 셈입니다.

이 기술의 가장 큰 매력은 단순히 성능만 좋아지는 게 아니라, 대량 생산이 가능한 ‘확장성’을 갖췄다는 점입니다. 복잡한 공정 대신 효율적인 합성 경로를 통해 분자를 편집할 수 있기 때문에, 앞으로 배터리 가격을 낮추면서도 성능은 획기적으로 높일 수 있는 발판이 마련된 것이죠. 전문가들은 이 기술이 상용화되면 전기차의 주행 거리가 지금보다 비약적으로 늘어날 것으로 보고 있습니다.

한국의 기술력, 유독가스 줄이고 안정성 잡았다

최근 한국생산기술연구원에서도 이와 결을 같이 하는 놀라운 연구 결과를 내놓았습니다. 황화물계 고체전해질에 염소와 안티몬, 그리고 산소를 조합한 새로운 소재를 개발한 것인데요. 이 연구가 중요한 이유는 전고체 배터리의 고질적인 문제인 ‘수분 취약성’을 해결했기 때문입니다. 황화물계 소재는 물기에 닿으면 달걀 썩는 냄새가 나는 유독한 황화수소 가스를 내뿜는데, 연구팀이 개발한 소재는 이 발생량을 획기적으로 줄였습니다.

실험 결과, 상대습도가 50%나 되는 습한 환경에 24시간 동안 노출해도 기존 소재는 진흙처럼 변하며 성질이 변했지만, 새로 개발된 소재는 단단한 고체 상태를 그대로 유지했습니다. 이온이 움직이는 속도도 더 빨라졌죠. 기업들의 움직임도 분주합니다. 한농화성 같은 기업은 정부 과제를 통해 리튬 금속 고분자 전지에 들어가는 핵심 소재를 주관하며 연구개발의 중심축 역할을 하고 있습니다.