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한국전기연구원, 차세대 '리튬황배터리' 난제 풀고 상용화 앞당겨

차세대 항공 모빌리티 활용 기대

(경남=뉴스1) 김대광 기자 | 2022-04-11 13:45 송고
KERI가 개발한 저비용 플렉시블 고용량 리튬황배터리(KERI 제공)© 뉴스1

한국전기연구원(KERI)은 니켈이나 코발트같이 비싼 희토류를 양극재로 사용하는 기존 리튬이온배터리를 대체할 ‘저비용 플렉시블 고에너지밀도 리튬황배터리’ 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.

리튬황배터리(Lithium-sulfur Battery)는 이론적으로 리튬이온배터리보다 에너지 밀도가 5배나 높아 차세대 배터리 대표주자로 손꼽힌다.

하지만 리튬황배터리는 충·방전 과정에서 리튬과 황이 만날 경우 황화리튬, 일명 ‘리튬 폴리설파이드(Lithium Polysulfides)’가 생겨 충·방전이 거듭될수록 양극 활물질이 손실되는 문제가 있다. 황이 지속적으로 전해질에 녹아 수명이 짧아지고 안전성이 떨어져 리튬황배터리의 상용화를 막는 가장 큰 난제 중 하나였다.

차세대전지연구센터 박준우 박사팀(박 박사·홍정원 연구원, 부경대 백강준 교수)은 활성탄과 인(P)을 활용해 활성탄을 배터리 내부의 분리막 코팅 소재로 이용해 충·방전 시 발생하는 리튬 폴리설파이드를 물리적으로 잡아냈다.

그뿐만 아니라 흡착력이 높은 인을 탄소재에 도핑해 화학적인 캡처링도 유도하는 등 물리적·화학적 이중 캡처링을 통해 리튬 폴리설파이드에 따른 리튬황배터리의 성능 저하를 막을 수 있었다.

또한 리튬황배터리의 플렉시블(flexible) 기능을 강화해 활용도를 높이는 데도 성공했다. 황 양극(+)에 전기 전도성이 높으면서도 강도가 세고 유연한 탄소나노튜브(CNT) 소재를 사용해 무게 비중을 많이 차지하는 집전체를 제거(에너지 밀도 향상)하고 굽히거나 휘어질 수 있는 내구성까지 확보했다.

KERI가 개발한 리튬황배터리의 에너지 밀도는 400Wh/kg으로 세계최고 수준이다. 특히 가볍고 장시간 운행이 필요한 항공우주, 플라잉카, 드론 등 미래형 항공 모빌리티의 배터리 분야에 크게 활용될 것으로 보인다.

이번 연구 결과는 우수성을 인정받아 독일 와일리(Wiley) 출판사의 재료분야 세계적 학술지인 ‘스몰(Small, JCR 상위 8.33%, IF=13.281)’의 표지논문으로 선정됐다.

박 박사는 “리튬황배터리는 값싸고 풍부한 황과 탄소재를 사용하기 때문에 우리나라같이 희토류가 부족한 국가에 꼭 필요한 기술”이라며 “이번 성과를 기존의 ‘고체 전해질 저가 대량 합성 기술’과 융합해 차세대 리튬황전고체배터리 원천기술까지 확보할 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다.


vj3770@news1.kr

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