전기연, UAM 핵심 리튬황전지 수명·성능 개선 기술 개발

수명·성능 저하시키는 물질 제어하는 기술 개발
대면적·고용량 시제품도 만들어…기술이전 추진

KERI가 유연 후막 전극을 적층해 만든 '1000mAh(1Ah)급 파우치형 리튬황전지' 시제품.(전기연 제공)

(창원=뉴스1) 강정태 기자 = 한국전기연구원(KERI)은 도심형 항공모빌리티(UAM) 산업의 핵심 기술인 리튬황전지의 성능을 개선하는 기술을 개발하고 이를 토대로 대면적·고용량 시제품까지 만드는 데 성공했다고 20일 밝혔다.

해당 기술은 전기연 차세대전지연구센터 박준우 박사팀이 개발했다.

리튬황전지는 리튬이온전지의 양극 물질로 황을 이용하는 배터리다. 이론적인 에너지 밀도가 리튬이온전지의 8배 이상에 달할 정도로 잠재력이 높다. 가볍고 오래 가는 이차전지의 대표 주자로, UAM 시대를 이끌어 갈 핵심 기술 분야로 손꼽힌다. 또 고가의 희토류가 아닌 매장량이 풍부한 황을 사용하기에 가격이 저렴하고, 환경친화적이기도 하다.

그러나 리튬황전지가 충·방전되는 과정에서 생성되는 ‘리튬폴리설파이드’라는 중간 물질이 불필요한 화학 반응으로 전지의 수명과 성능을 저하시키면서 실질적인 상용화를 가로막고 있다.

박 박사팀은 이를 개선하기 위해 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.

박 박사팀이 확인한 결과 산소 작용기가 결합된 SWCNT는 충·방전 과정에서 팽창할 수 있는 전극을 안정적으로 감싸고, 리튬폴리설파이드의 용출 및 확산을 효과적으로 제어했다. 결과적으로 활물질인 황의 손실도 크게 줄어든 것으로 나타났다.

뿐만 아니라 높은 유연성의 SWCNT와 친수성(친용매성)을 지닌 산소 작용기는 전극 제작 시 균일하고 매끄러운 표면을 구현할 수 있게 해 대면적·고용량 전지 설계도 가능하게 만드는 것으로 확인됐다.

이를 통해 연구진은 50x60㎜ 크기의 유연한 후막 전극을 만들 수 있었고, 이를 적층해 1000㎃h급 파우치형 리튬황전지 시제품까지 제작하는 데 성공했다. 해당 시제품은 100회 충·방전을 거쳐도 용량이 85% 이상 유지되는 높은 성능을 보이는 것으로 나타났다.

박 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”이며 “실제 산업 현장에 활용될 수 있을 정도의 기초 틀을 마련한 것으로, 차세대 리튬황전지의 실질적인 상용화 가능성을 연 큰 성과”라고 말했다.

이번 연구 결과는 우수성을 인정받아 재료과학 분야 세계 최고 수준의 저널인 '어드밴스드 사이언스'에 논문이 게재됐다.

국내 특허 출원까지 완료한 KERI는 이번 성과가 도심형 항공모빌리티 및 항공·우주, 전기차 산업 등 차세대 리튬황전지가 필요한 기업에 기술이전을 추진할 계획이다.

jz1@news1.kr