탄소나노튜브·산소 작용기 리튬폴리설파이드 용출 억제
1000mAh급 고용량·대면적 파우치형 시제품 제작 성공

한국전기연구원(KERI, 이하 전기연)은 ‘리튬황전지’ 상용화에 걸림돌이 되던 문제를 해결할 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 차세대전지연구센터 박준우 박사팀 연구 성과로, 도심항공교통(UAM) 시대를 이끌어갈 핵심 신기술을 제시한 셈이다.

양극(+)이 황, 음극(-)이 리튬금속으로 구성된 리튬황전지는 이론적인 에너지 밀도가 리튬이온전지의 8배 이상에 달할 정도로 잠재력이 높다. 또 고가의 희토류가 아닌, 매장량이 풍부한 황(S)을 사용하기 때문에 가격이 저렴하고 환경친화적이다. 이 덕분에 이차전지의 대표 주자로 꼽히고 있다.

다만 리튬황전지는 충·방전 과정에서 ‘리튬폴리설파이드’라는 중간 물질이 생성(용출·shuttle)된다.

이 물질은 양극과 음극 사이를 이동하며 불필요한 화학반응을 일으켜 전지 수명과 성능을 저하시키는데, 이는 리튬황전지의 상용화를 막는 가장 큰 원인으로 작용해왔다.

박준우 박사팀은 이에 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 산소 작용기(관능기·특정한 화학적 물리적 성질을 갖는 원자 또는 원자들의 모임)를 결합한 신기술을 제시했다.

SWCNT는 강철보다도 센 강도 및 구리와 버금가는 전기 전도성을 지닌 미래 신소재다.

산소 작용기는 SWCNT가 전지 내부의 다른 물질에 잘 분산될 수 있게 해준다.

산소 작용기가 결합한 SWCNT는 충·방전 과정에서 팽창할 수 있는 전극을 안정적으로 감싸고, 리튬폴리설파이드의 용출 및 확산을 효과적으로 제어했다. 결과적으로 활물질인 황의 손실도 크게 줄일 수 있었다.

이뿐만 아니라 높은 유연성의 SWCNT와 친수성(친용매성)을 지닌 산소 작용기는 전극 제작 시 균일하고 매끄러운 표면을 구현할 수 있게 해줘 대면적·고용량 전지 설계도 가능하게 만들었다.

연구진은 이를 통해 50x60㎜ 크기의 유연한 후막 전극(thick electrode)을 만들 수 있었고, 이를 하나하나 잘 쌓아 1천mAh(1Ah)급 파우치형 리튬황전지 시제품도 제작하는 데 성공했다.

이 시제품은 100회 충·방전을 거쳐도 용량이 85% 이상 유지되는 성능을 보유하고 있다.

이번 연구 결과를 담은 논문은 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스’(Advanced Science)에 실렸다.

전기연은 향후 도심항공교통 및 항공·우주, ESS(에너지저장장치), 전기차 산업 등 차세대 리튬황전지가 필요한 수요업체를 발굴해 기술이전을 추진할 계획이다.

박준우 박사는 “SWCNT와 산소 작용기와의 결합을 통해 리튬황전지의 난제를 극복할 수 있었다”며 “차세대 리튬황전지의 실질적인 상용화 가능성을 연 큰 성과”라고 밝혔다.