UAM 핵심 리튬황전지, 최대 난제 극복했다

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 도심항공모빌리티(UAM) 핵심 장치로 꼽히는 리튬황전지의 수명과 성능을 떨어트리는 원인을 찾아 문제점을 해결했다.

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

양극(+)이 황, 음극(-)이 리튬금속으로 구성된 리튬황전지는 이론적 에너지 밀도가 리튬이온전지의 8배 이상에 달할 정도로 잠재력이 높다. 고가의 희토류가 아닌, 매장량이 풍부한 황(S)을 사용하기 때문에 가격이 싸고 환경친화적이다.

리튬황전지는 가볍고 오래 가는 이차전지로 도심형 항공모빌리티(UAM) 시대를 이끌어 갈 핵심 기술 분야로 손꼽힌다.

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 떨어트린다. 상용화를 막는 가장 큰 원인이 됐다.

박준우 박사팀은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 산소 작용기(특정한 화학적 물리적 성질을 갖는 원자 또는 원자들의 모임)를 결합한 신기술을 제시했다. SWCNT는 강철보다도 센 강도, 구리와 버금가는 전기 전도성을 지닌 미래 신소재이다.

산소 작용기는 SWCNT가 전지 내부의 다른 물질에 잘 분산될 수 있게 해준다. 산소 작용기가 결합된 SWCNT는 충·방전 과정에서 팽창할 수 있는 전극을 안정적으로 감싸고, 리튬폴리설파이드의 용출과 확산을 효과적으로 제어했다.

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.

이를 통해 연구팀은 50x60mm 크기의 유연한 후막 전극(thick electrode)을 만들 수 있었다. 전지의 에너지 밀도를 높이기 위해서는 전극이 두꺼울수록 좋은데 이를 후막 전극이라 한다.

이를 하나하나 잘 적층해 1000mAh(1Ah, mAh는 전지의 용량을 나타내는 단위로 1시간 동안 사용할 수 있는 전류량)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 “우리 기술은 SWCNT와 산소 작용기와의 결합을 통해 리튬황전지의 가장 큰 난제를 극복한 것은 물론 대면적·고용량 유연 전극 설계와 시제품 제작까지 달성한 종합적 결과물”이라며 “실제 산업 현장에 활용될 수 있을 정도의 기초 틀을 마련한 것으로 차세대 리튬황전지의 실질적 상용화 가능성을 연 큰 성과”라고 전했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 저널인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 실렸다.

국내 특허 출원까지 완료한 KERI는 이번 성과가 도심형 항공모빌리티와 항공·우주, 에너지저장장치(ESS), 전기차 산업 등 차세대 리튬황전지가 필요한 기업들의 많은 관심을 받을 것으로 보고 수요업체를 발굴해 기술이전을 추진하기로 했다.