국내 연구진이 가볍고 오래 가는 이차전지의 대표 주자이자 도심형 항공모빌리티(UAM) 시대를 이끌어 갈 핵심 기술로 꼽히는 ‘리튬황전지’의 상용화를 앞당길 기술을 개발했다. 박준우 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 책임연구원연구진이 차세대 리튬황전지 상용화를 막던 난제를 극복하고, 대면적·고용량 시제품까지 만드는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 이번 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스 저축은행 대출금리 (Advanced Science)’에 지난해 12월 게재됐다. 양극이 황, 음극이 리튬금속으로 구성된 리튬황전지는 이론적인 에너지 밀도가 리튬이온전지의 8배 이상에 달할 정도로 잠재력이 높다. 고가의 희토류가 아닌, 매장량이 풍부한 황을 사용하기 때문에 가격이 저렴하고, 환경친화적이다. 하지만 리튬황전지는 충·방전되는 과정에서 ‘리튬폴리설 별내지구kcc 파이드’라는 중간 물질이 생성되는데, 이 물질이 양극과 음극 사이를 이동하며 불필요한 화학 반응을 일으켜 전지의 수명과 성능을 낮췄다. 연구진은 산소 작용기를 결합한 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)로 리튬황전지의 문제를 해결했다. SWCNT는 강철보다도 강도가 세고 구리와 버금가는 전기 전도성을 지닌 미래 신소재로, 산소 작용기는 SWCN 최수영 T가 전지 내부의 다른 물질에 잘 분산될 수 있게 해준다. 이렇게 산소 작용기를 결합된 SWCNT는 충·방전 과정에서 팽창할 수 있는 전극을 안정적으로 감싸고, 리튬폴리설파이드의 용출과 확산을 효과적으로 제어했으며, 결과적으로 활물질인 황의 손실도 크게 줄일 수 있었다.
연 정기적금 추천 구진이 유연 후막 전극을 적층해 만든 1000mAh(1Ah)급 파우치형 리튬황전지 시제품./한국전기연구원
높은 유연성의 SWCNT와 친수성을 지닌 산소 작용기는 전극 제작 시 균일하고 매끄러운 표면을 구현할 수 있게 해 대면적·고용량 전지 설계도 가능하다. 연구진은 가로 50㎜, 세로 60㎜ 크기의 농협 신혼부부전세자금대출 유연한 후막 전극(thick electrode)을 만들 수 있었고, 이를 하나하나 잘 쌓아 1000mAh(1Ah, 전지의 용량을 나타내는 단위)급 파우치형 리튬황전지 시제품(prototype)까지 제작했다. 해당 시제품은 100회 충·방전을 거쳐도 용량이 85% 이상 유지됐다. 박준우 책임연구원은 “SWCNT와 산소 작용기와의 결합을 통해 리튬황전지의 가장 큰 난제를 극복한 것은 물론, 대면적·고용량 유연 전극 설계와 시제품 제작까지 달성했다”며 “실제 산업 현장에 활용될 수 있을 정도의 기초 틀을 마련한 것으로, 차세대 리튬황전지의 실질적인 상용화 가능성을 연 큰 성과”라고 전했다. 연구 성과는 국내 특허 출원까지 완료했다. 한국전기연구원은 이번 성과가 도심형 항공모빌리티와 항공·우주, 에너지저장장치(ESS), 전기차 산업 등 다양한 분야의 기업의 관심을 받을 것으로 보고, 수요 업체를 발굴해 기술이전을 추진할 계획이다. 참고 자료 Advanced Science(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202406536 - Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -
