[단독] LG엔솔, 고밀도 리튬황전지 공동개발 성공… 상용화 문턱

카이스트·서울대와 공동연구
기존제품보다 밀도 60% 개선
무인기·드론 핵심 동력원 주목

기능성 탄소 보호층이 도입된 코발트 금속 나노 입자 소재에 대한 투과 전자 현미경 이미지. 코발트 금속 나노입자 표면에 아주 얇은 기능성 탄소 보호층이 도포된 것을 확인할 수 있다. 카이스트 제공.

LG에너지솔루션이 카이스트, 서울대학교와 함께 차세대 고성능 '리튬 황 전지'를 개발하는 데 성공했다. 기존 리튬이온전지를 뛰어넘는 400Wh/㎏의 에너지 밀도를 구현한 만큼 전기차와 드론 등 경량 고성능 배터리가 요구되는 분야에서의 파급력이 기대된다

13일 카이스트에 따르면 LG에너지솔루션 미래기술연구센터는 카이스트 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀, 서울대 한정우 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 '기능성 탄소 보호층'을 도입한 고성능 리튬 황 전지 개발에 성공했다.

리튬 황 전지는 황을 양극 소재로 사용하는 차세대 배터리다. 기존 리튬이온전지에 쓰이는 금속 산화물계인 양극 소재에 비해 황은 가볍고 가격이 저렴하면서도 높은 에너지 저장 용량을 가져 무인기, 드론 등 경량 고출력 분야의 핵심 동력원으로 주목받고 있다.

하지만 리튬 황 전지는 고성능을 유지하면서 전해액의 사용을 줄이는 데 어려움이 있어 상용화의 걸림돌로 작용해왔다. 에너지 밀도를 높이기 위해 전해액의 양을 줄이면 황의 전기화학적 반응성이 급격히 떨어져 고에너지의 리튬 황 파우치셀을 구현하기 어렵기 때문이다.

공동 연구팀은 리튬 황 전지의 양극에 금속 나노입자와 이를 감싸는 아주 얇은 기능성 탄소 보호층을 도입해 문제를 해결했다. 이 탄소막은 황 반응 과정에서 생성되는 리튬 폴리설파이드가 금속 입자와 직접 접촉하는 것을 차단해 그간 수명을 떨어뜨려 온 불필요한 부반응과 구조 변화(상변화)를 효과적으로 억제하도록 했다.

전지 내부의 불안정한 반응을 근본적으로 줄이고 장시간 안정적으로 작동할 수 있는 기반을 마련한 것이다. 결과적으로 황의 전기화학 전환 반응성과 전지 수명 안정성이 획기적으로 향상됐다.

또 연구팀은 탄소 보호층에 전자 이동을 촉진하는 질소 원자를 첨가해 금속 나노입자와의 전자 교환이 원활하도록 설계했다. 금속 나노입자의 종류를 정밀하게 조절함으로써 탄소 보호층 내 질소 원자의 최적화된 전자구조를 유도해 양극에서의 황 반응성을 크게 높였다.

무엇보다 이번 연구에서 개발한 기능성 탄소 보호층을 양극 첨가제로 활용한 결과, 암페어시(Ah)급 리튬 황 파우치셀에서 400Wh/kg 수준의 높은 에너지 밀도를 구현했다. 이는 기존 리튬이온전지보다 30~60%가량 밀도가 높은 수준으로 같은 무게로 더 많은 전기를 저장할 수 있다는 의미다.

여기에 이 탄소 보호층은 합성법이 복합한 공정 없이도 쉽게 만들 수 있는 데다 대량 생산에도 적합한 구조다. 향후 후속 연구를 거쳐 2030년 전후로 예상되는 리튬 황 전지의 상용화 시기를 앞당길 수 있을 것이란 평가다.

이번 연구 결과는 세계적으로 공신력있는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 올해 2월 14일자로 게재됐다. 논문 제목은 'Protective catalytic layer powering activity and stability of electrocatalyst for high-energy lithium-sulfur pouch cell'다.

이진우 카이스트 생명화학공학과 교수는 "차세대 고성능 리튬 황 전지 개발을 위해서는 전지 내부에 제한된 전해액 사용량에도 황 전환 반응의 속도와 수명 안정성을 모두 높은 수준으로 확보하는게 핵심"이라며 "향후 양극 기능성 소재의 전자구조 최적화와 표면 안정성을 제어할 수 있는 기술을 개발하려는 노력이 지속돼야 한다"고 말했다.

박한나기자 park27@dt.co.kr