전기연, 내구성·용량 높인 차세대 리튬황 배터리 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국전기연구원(KERI, 원장 명성호)은 차세대전지연구센터 박준우 박사팀(홍정원 연구원, 부경대 백강준 교수)이 ‘저비용 플렉시블 고에너지밀도 리튬황전지’ 기술을 개발했다고 발표했다.

연구팀은 리튬황 전지의 상용화를 위한 난제인 '황화리튬 용출현상'에 의한 성능저하 문제를 해결할 수 있는 새로운 소재기술을 개발하고, 400Wh/kg의 세계최고 수준 에너지밀도와 뛰어난 내구성, 성능 안정성을 확보했다고 밝혔다.

리튬황전지(Lithium-sulfur Battery)는 니켈이나 코발트에 비해 자원이 풍부한 황(S)을 양극재로 사용해 전지의 제조단가를 크게 낮출 수 있으며, 이론적으로는 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 무려 5배나 높아 차세대 배터리 대표주자로 손꼽히고 있다.

하지만 리튬황전지는 충·방전 과정에서 리튬과 황이 만나 생성되는 황화리튬(리튬 폴리설파이드)이 전해액에 녹아서 용출되는 현상으로 인해 수명과 안전성이 떨어지는 것이 상용화의 큰 걸림돌이었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 활성탄과 인(P)을 활용했다. 흡착성이 강한 활성탄을 배터리 내부의 분리막 코팅 소재로 이용해 충·방전 시 발생하는 리튬 폴리설파이드를 물리적으로 잡아내고, 흡착력이 높은 인(P)을 탄소재에 도핑해 화학적으로도 잡아냈다. 물리적·화학적 이중 캡쳐링을 통해 리튬 폴리설파이드 용출현상을 막은 것이다.

연구팀은 또한 황 양극에 전기 전도성이 높으면서도 강도가 세고 유연한 탄소나노튜브(CNT) 소재를 사용해 에너지밀도를 높이고 굽히거나 휘어질 수 있는 유연성도 강화했다.

연구팀은 "개발한 리튬황전지의 에너지 밀도는 400Wh/kg으로, 세계최고 수준"이며 "기존 리튬황전지가 가진 경량·저비용 장점에, 높은 에너지 밀도와 성능 안정성, 내구성까지 결합되어 상용화까지 기대할 수 있게 됐다"고 자랑했다.

특히 가볍고 장시간 운행이 필요한 항공우주, 플라잉카, 드론 등 미래형 항공 모빌리티의 배터리 분야에 크게 활용될 것으로 보고 있다.

박준우 박사는 “리튬황배터리는 값싸고 풍부한 황과 탄소재를 사용하기 때문에 우리나라같이 희토류가 부족한 국가에 꼭 필요한 기술”이라며 “이번 성과를 기존에 연구원이 개발해 보유하고 있던 ‘고체 전해질 저가 대량 합성 기술’과 융합하여 차세대 리튬황전고체배터리 원천기술까지 확보할 수 있도록 노력하겠다”라고 전했다.

이 연구는 재료분야 국제 학술지인 ‘스몰(Small)’에 3월14일 게재됐으며 표지논문으로 선정됐다.(논문명: Multimodal Capturing of Polysulfides by Phosphorus-Doped Carbon Composites for Flexible High-Energy-Density Lithium–Sulfur Batteries. doi.org/10.1002/smll.202200326)