한국전기연구원, UAM 핵심 ‘리튬황전지’ 최대 난제 극복

박준우 박사팀, 탄소나노튜브 및 산소 작용기로 ‘리튬폴리설파이드’ 용출 억제 성공

[일요신문] 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 박준우 박사팀이 차세대 리튬황전지 상용화를 막던 난제를 극복하고, 대면적·고용량 시제품까지 만드는 데 성공했다.

KERI 박준우(왼쪽 4번째) 박사팀. 사진=KERI 제공

양극(+)이 황, 음극(-)이 리튬금속으로 구성된 리튬황전지는 이론적인 에너지 밀도가 리튬이온전지의 8배 이상에 달할 정도로 잠재력이 높다. 고가의 희토류가 아닌 매장량이 풍부한 황(S)을 사용하기 때문에 가격이 저렴하고 환경친화적이다. 리튬황전지는 가볍고 오래 가는 이차전지의 대표 주자로서, 도심형 항공모빌리티(UAM) 시대를 이끌어 갈 핵심 기술 분야로 손꼽힌다.

하지만 리튬황전지는 충·방전되는 과정에서 ‘리튬폴리설파이드’라는 중간 물질이 생성(용출, shuttle)되는데, 이 물질이 양극과 음극 사이를 이동하며 불필요한 화학 반응을 일으켜 전지의 수명과 성능을 저하시키고 상용화를 막는 가장 큰 원인이 됐다.

이에 박준우 박사팀은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 산소 작용기를 결합한 신기술을 제시했다. SWCNT는 강철보다도 센 강도 및 구리와 버금가는 전기 전도성을 지닌 미래 신소재이고, 산소 작용기는 SWCNT가 전지 내부의 다른 물질에 잘 분산될 수 있게 해준다.

이렇게 산소 작용기가 결합된 SWCNT는 충·방전 과정에서 팽창할 수 있는 전극을 안정적으로 감싸고, 리튬폴리설파이드의 용출 및 확산을 효과적으로 제어했으며, 결과적으로 활물질인 황의 손실도 크게 줄일 수 있었다. 높은 유연성의 SWCNT와 친수성(친용매성)을 지닌 산소 작용기는 전극 제작 시 균일하고 매끄러운 표면을 구현할 수 있게 해줘 대면적·고용량 전지 설계도 가능하게 만든다.

유연 후막 전극을 적층해 만든 1,000mAh(1Ah)급 파우치형 리튬황전지 시제품. 사진=KERI 제공

이를 통해 연구진은 50x60mm 크기의 유연한 후막 전극(thick electrode)을 만들 수 있었고, 이를 하나하나 잘 적층해 1,000mAh(1Ah)급 파우치형 리튬황전지 시제품(prototype)까지 제작하는 데 성공했다. 해당 시제품은 100회 충·방전을 거쳐도 용량이 85% 이상 유지되는 높은 성능을 보유하고 있다.

박준우 박사는 “우리의 기술은 SWCNT와 산소 작용기와의 결합을 통해 리튬황전지의 가장 큰 난제를 극복한 것은 물론, 대면적·고용량 유연 전극 설계 및 시제품 제작까지 달성한 종합적인 결과물”이라며 “실제 산업 현장에 활용될 수 있을 정도의 기초 틀을 마련한 것으로, 차세대 리튬황전지의 실질적인 상용화 가능성을 연 큰 성과”라고 전했다.

이번 연구결과는 우수성을 인정받아 재료과학 분야 세계 최고 수준의 저널인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 논문이 게재됐다(제1저자 허준영 UST KERI 캠퍼스 박사과정, 공동교신저자 한중탁 박사, 교신저자 박준우 박사). 논문의 수준을 평가하는 ‘Impact Factor’는 14.3으로, 상위 7.18%에 속한다.

국내 특허 출원까지 완료한 KERI는 이번 성과가 도심형 항공모빌리티 및 항공·우주, ESS, 전기차 산업 등 차세대 리튬황전지가 필요한 기업들의 많은 관심을 받을 것으로 보고, 수요업체를 발굴해 기술이전을 추진한다는 목표다.

정동욱 부산/경남 기자 [e-mail]