박준우 전기연구원 박사팀, 국제학술지 '스몰' 표지논문 장식
[이투뉴스] 국내 연구진이 차세대 리튬황배터리 상용화 과정의 가장 큰 난제 중 하나인 ‘리튬 폴리설파이드(Lithium Polysulfides)’ 해결책을 제시해 국제 학계의 주목을 받고 있다.
전기연구원(KERI, 원장 명성호)은 차세대전지연구센터 박준우 박사팀(박준우·홍정원 연구원·백강준 부경대 교수)이 수행한 ‘저비용 플렉시블 고에너지밀도 리튬황배터리 연구'가 국제학술지 <스몰> 표지논문(Front Cover)으로 게재됐다고 11일 밝혔다.
리튬황배터리는 니켈이나 코발트처럼 값비싼 희토류를 양극재로 쓰는 리튬이온배터리와 달리 부존량이 풍부한 황을 사용해 배터리 제조단가를 크게 낮출 수 있다. 또 이론적으로 리튬이온대비 에너지밀도가 5배 높아 잠재력이 높은 차세대 배터리로 주목받고 있다.
하지만 이런 리튬황배터리도 넘어야 할 산이 있다. 충·방전 과정에 리튬과 황이 만날 경우 황화리튬(리튬 폴리설파이드)이 되는데, 이 중간생성물이 전해액에 대한 높은 용해도로 용출현상을 일으켜 사용할수록 양극 활물질인 황이 손실된다.
이는 수명과 안전성 저하와 직결돼 리튬황배터리 상용화의 걸림돌로 작용했다.
전기연구원 연구팀은 이런 현상을 활성탄과 인(P)으로 해결했다. 숯처럼 작은 기공을 가진 활성탄은 흡착성이 강해 각종 필터나 탈색제로 쓰이고 있다. 배터리 내부 분리막 코팅소재로 활용해 충·방전 시 발생하는 리튬 폴리설파이드를 물리적으로 잡아냈다.
여기에 흡착력이 높은 인(P)을 탄소재에 도핑해 물리·화학적 이중 캡쳐링으로 리튬황배터리의 성능저하를 막았다.
리튬황배터리의 유연성(flexible)을 강화해 활용도를 높이는데도 성공했다. 황 양극에 전기 전도성이 높으면서도 강도가 세고 유연한 탄소나노튜브(CNT) 소재를 사용해 집전체를 제거하고, 굽히거나 휘어질 수 있는 내구성도 확보했다.
이런 과정을 거쳐 연구원이 개발한 리튬황배터리의 에너지밀도는 kg당 400Wh로 세계최고 수준을 자랑한다. 가볍고 장시간 운행이 필요한 항공우주 분야나 플라잉카, 드론 등 미래형 항공 모빌리티 배터리로 활용될 전망이다.
박준우 박사는 "리튬황배터리는 값싸고 풍부한 황과 탄소재를 사용해 우리처럼 희토류가 부족한 국가에 꼭 필요한 기술”이라며 “이번 성과를 연구원이 보유하고 있던 고체 전해질 저가 대량 합성 기술과 융합해 차세대 리튬황전고체배터리 원천기술까지 확보하겠다"고 말했다.
이상복 기자 lsb@e2news.com
