전기연, 차세대 리튬황배터리 수명 연장 기술 개발

원자재 가격 낮고 에너지 밀도 높은 리튬황비터리..."수명과 안정성, 신축성까지 더해"

한국전기연구원(KERI, 원장 명성호)은 차세대 저비용 배터리로 주목받는 리튬황배터리의 수명을 늘이는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다. 

리튬황배터리는 니켈이나 코발트 같이 비싼 희토류가 아니라 자연에 풍부하게 존재하는 황을 양극재로 사용, 전지 제조단가를 낮출 수 있다. 또 이론적으로 리튬이온배터리보다 에너지 밀도가 5배 높다. 

한국전기연구원이 개발한 저비용 플렉시블 고용량 리튬황배터리 (자료=KERI)

하지만 충방전 과정에서 리튬과 황이 만나 생기는 황화리튬, 일명 '리튬 폴리설파이드'가 전해질에 쉽게 녹아 나와 양극재인 황이 줄어든다는 단점이 있다. 이같은 용출 현상은 수명과 안전성 문제로 이어져 리튬황배터리 상용화의 걸림돌이 돼 왔다. 

KERI 차세대전지연구센터 박준우 박사팀은 활성탄과 인을 활용해 문제를 개선했다. 숯처럼 작은 기공(氣孔)을 가진 활성탄은 흡착성이 강해 각종 필터나 탈색제로 쓰인다. 연구팀은 이러한 활성탄을 배터리 내부 분리막 코팅 소재로 이용해 충방전할 때 발생하는 리튬 폴리설파이드를 물리적으로 잡아냈다. 또 흡착력이 높은 인을 탄소재에 도핑해 화학적으로도 리튬 폴리설파이드를 잡아냈다. 

연구팀은 리튬황배터리의 신축성도 높였다. 황 양극에 전기 전도성이 높으면서도 강도가 세고 유연한 탄소나노튜브(CNT) 소재를 사용, 무게 비중을 많이 차지하는 집전체를 없애 에너지 밀도를 높이고, 굽히거나 휘어지는 성질까지 부여했다. 집전체는 배터리를 충방전할 때 전자가 이동하는 통로를 형성하는 역할을 한다. 

한국전기연구원의 리튬황배터리 연구결과거 표지로 실린 학술지 '스몰'

이렇게 만든 리튬황배터리의 에너지 밀도는 400Wh/kg 수준에 이른다. 가볍고 장시간 운행이 필요한 항공우주와 플라잉카, 드론 등 미래형 항공 모빌리티 배터리 분야에 활용될 것으로 연구진은 기대했다. 

박준우 박사는 "리튬황배터리는 값싸고 풍부한 황과 탄소재를 사용하기 때문에 우리나라같이 희토류가 부족한 국가에 꼭 필요한 기술"이라고 밝히며 "이번 성과를 기존에 연구원이 개발해 보유하고 있던 '고체 전해질 저가 대량 합성 기술'과 융합하여 차세대 리튬황전고체배터리 원천기술까지 확보도록 노력하겠다"라고 밝혔다.

이번 연구결과는 재료분야 학술지 '스몰(Small)' 표지논문으로 선정됐다. 이번 연구는 KERI 주요사업 및 부경대학교 기초연구실사업의 지원으로 진행됐다.