▲ 한국전기연구원이 개발한 `저비용 플렉시블 고용량 리튬황배터리’

국내 연구진이 차세대 리튬황배터리의 성능 저하 난제인 리튬 폴리설파이드를 활성탄과 인을 활용해 해결하는 등 향후 항공모빌리티 등에 응용이 기대되고 있다.

한국전기연구원(KERI, 원장 명성호)은 차세대전지연구센터 박준우 박사팀(KERI 박준우 박사· 홍정원 연구원, 부경대 백강준 교수)의 ‘저비용 플렉시블 고에너지밀도 리튬황배터리’ 관련 연구결과가 국제 저명 학술지에 표지논문으로 선정됐다고 11일 밝혔다.

리튬황배터리(Lithium-sulfur Battery)는 니켈이나 코발트같이 비싼 희토류를 양극재로 사용하는 기존과 달리, 자원이 풍부한 황을 사용, 배터리의 제조단가를 크게 낮출 수 있다. 또 리튬이온배터리보다 에너지 밀도가 5배나 높아 차세대 배터리로 손꼽힌다.

하지만 충·방전 과정에서 리튬과 황이 만날 경우 황화리튬, 일명 ‘리튬 폴리설파이드(Lithium Polysulfides)’가 되는데, 전해액에 대한 높은 용해도로 인해 ‘용출 현상’이 나타나 충·방전이 거듭될수록 양극활물질이 손실된다.

황이 지속적으로 전해질에 녹아, 결국에는 황의 양이 감소하는 것이다. 이는 수명과 안전성 저하와 직결되어 리튬황배터리의 상용화를 막는 가장 큰 난제 중 하나였다.

이에 KERI가 활용한 물질은 활성탄과 인(P)이다. 숯처럼 작은 기공을 가진 활성탄을 배터리 내부의 분리막 코팅 소재로 이용, 충·방전 시 발생하는 리튬 폴리설파이드를 물리적으로 잡아냈다. 또 흡착력이 높은 인(P)을 탄소재에 도핑, 물리화학적 이중 캡쳐링을 통해 리튬 폴리설파이드에 따른 리튬황배터리의 성능 저하를 막았다.

또, 연구팀은 리튬황배터리의 플렉시블 기능을 강화해 활용도를 높였다. 황 양극(+)에 전기 전도성이 높고 강도가 세고 유연한 탄소나노튜브(CNT) 소재를 사용, 무게 비중을 많이 차지하는 집전체를 제거해 굽히거나 휘어질 수 있는 내구성까지 확보했다.

KERI가 개발한 리튬황배터리의 에너지 밀도는 400Wh/kg으로, 세계최고 수준으로 리튬황배터리의 상용화도 기대할 수 있게 됐다. 특히 항공우주, 플라잉카, 드론 등 미래형 항공 모빌리티의 배터리 분야에 크게 활용될 것으로 보고 있다.

KERI 박준우 박사는 “리튬황배터리는 값싸고 풍부한 황과 탄소재를 사용해 한국처럼 희토류부족국가에 꼭 필요한 기술”이라며 “이번 성과를 연구원이 보유하던 ‘고체 전해질 저가 대량 합성 기술’과 융합해 차세대 리튬황전고체배터리 원천기술까지 확보하도록 노력하겠다”고 전했다.

한편, 이번 연구결과는 우수성을 인정받아 독일 와일리(Wiley) 출판사의 재료분야 세계적 학술지인 ‘스몰(Small, JCR 상위 8.33%, IF=13.281)’의 표지논문으로 선정됐다.