KAIST “차세대 ‘리튬황전지’ 개발…도심 항공 모빌리티 활용”

도심 항공 모빌리티에 활용될 차세대 리튬황전지가 국내에서 개발됐다. 배터리 산업계에서는 전기자동차 시장에 이어 항공 교통을 연결하는 도심 항공 모빌리티 시장에 주목한다. 하지만 기존 상용 리튬이온전지는 무게 당 에너지밀도가 낮아 항공 모빌리티의 에너지원으로 쓰이는 데 한계를 보인다. 새롭게 개발한 리튬황전지는 이러한 한계를 극복, 항공 모빌리티에 활용될 차세대 에너지원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST는 생명화학공학과 김희탁 교수팀과 LG에너지솔루션 연구팀이 협력해 배터리의 전해액 사용량이 줄어든 환경에서 리튬황전지 성능 저하 원인을 규명하고, 이를 바탕으로 성능을 개선할 수 있는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

(앞줄 왼쪽부터) 김일주 박사과정,김희탁 교수 (뒷줄 왼쪽부터) 김세진 박사과정, 신예원 석사과정, 김동우 석사과정, 조혜나 석사. KAIST 제공

앞서 중국 CATL는 지난해 ‘응축 배터리(Condensed battery)’ 기술을 발표해 공식적으로 항공용 배터리 시장 준비 상황을 알렸다. 배터리 산업계가 기존 리튬이온전지를 넘어선 차세대 기술로 리튬황전지를 주목하고 있는 것을 방증한 사례다. 실제 업계는 리튬황전지의 무게 당 에너지밀도가 기존 리튬이온전지보다 2배 이상 높은 점에 주목해 리튬황전지를 도심 항공 모빌리티 시장의 게임 체인저로 평가한다.

다만 기존 리튬황전지 기술은 배터리의 안정적 구동을 위해 많은 양의 전해액이 필요한 탓에 전지 무게가 증가하고, 결과적으로 에너지밀도가 감소하는 문제가 있었다.

또 전해액 사용량을 줄이는 희박 전해액 환경에서 성능 열화가 빨라지고, 퇴화 메커니즘조차 명확하게 밝혀지지 않아 도심 항공 모빌리티에 실제 적용할 리튬황전지 개발에는 어려움이 따랐다.

공동연구팀은 이러한 한계를 해결, 전해액 사용량을 기존보다 60% 이상 줄이는 동시에 400Wh/kg 이상의 에너지밀도를 구현하는 리튬황전지를 개발했다.

이는 상용 리튬이온전지보다 60% 이상 높은 에너지밀도를 갖는 동시에 안정적 수명 특성을 확보함으로써 도심 항공 모빌리티 시장에서 배터리의 가장 큰 장애물을 극복한 것으로 평가받는다.

KAIST 제공

공동연구팀은 다양한 전해액 환경을 실험하는 과정에서 전극 부식으로 전해액이 고갈되는 현상이 배터리의 성능을 떨어뜨리는 주된 원인이 된다는 점을 밝혀냈다. 또 이를 해결하기 위해 불소화 에테르 용매를 도입해 리튬 금속 음극의 안정성과 가역성을 높이고, 전해액 분해를 줄이는 데 성공했다.

KAIST 생명화학공학과 김일주 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 에너지 분야 최고 권위 학술지인 어드밴스드 에너지 머터리얼즈’를 통해 연구 결과가 소개됐다.

김희탁 교수는 “이번 연구는 리튬황전지에서 전해액 설계를 통한 전극계면 제어의 중요성을 밝힌 의미 있는 연구”라며 “무엇보다 대학과 기업의 협력으로 이뤄진 대표적인 성공 사례로, 도심 항공 모빌리티 등 차세대 모빌리티에 쓰일 배터리의 상용화를 앞당기는 데 진전을 이룰 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 KAIST와 LG에너지솔루션은 앞으로도 차세대 모빌리티를 위한 배터리 기술 협력을 강화해 새로운 배터리 시장을 선도할 계획이다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr