- 리튬황배터리 안정성 향상 기술 확보

[디지털데일리 김도현 기자] 국내 연구진이 차세대 배터리 상용화에 다가섰다. 난제로 꼽히던 부분을 새 물질을 통해 극복할 것으로 보인다.

11일 한국전기연구원(KERI)은 차세대전지연구센터 박준우 박사팀의 ‘저비용 플렉시블 고에너지밀도 리튬황배터리’ 관련 연구 결과가 높은 수준을 인정받아 국제 저명 학술지에 표지논문으로 선정됐다고 밝혔다.

리튬황배터리는 니켈(N)이나 코발트(C) 등 비싼 희토류를 양극재로 사용하는 기존 리튬이온배터리와 달리 자원이 풍부한 황(S)을 양극재로 사용한다. 배터리 제조단가가 낮아진다. 이론적으로 리튬이온배터리 대비 에너지 밀도가 5배나 높다.

다만 해결 과제가 있다. 충·방전 과정에서 리튬과 황이 만나면 황화리튬으로 불리는 중간 생성물 ‘리튬 폴리설파이드’가 된다. 이는 전해액에 대한 높은 용해도로 용출 현상이 나타나 충·방전이 거듭될수록 양극 활물질이 손실되는 문제가 있다. 황이 지속 전해질에 녹아 결국에는 황의 양이 감소하게 된다. 결과적으로 수명과 안전성 저하와 직결돼 리튬황배터리의 상용화를 막아왔다.

KERI가 활용한 물질은 활성탄과 인(P)이다. 숯처럼 작은 기공을 가진 활성탄은 흡착성이 강해 각종 필터나 탈색제로 사용된다. 연구팀은 활성탄을 배터리 내부 분리막 코팅 소재로 이용해 충·방전 시 발생하는 리튬 폴리설파이드를 물리적으로 잡아냈다.

아울러 리튬황배터리의 플렉시블 기능을 강화해 활용도를 높이는 데도 성공했다. 황 양극에 전기 전도성이 높으면서도 강도가 세고 유연한 탄소나노튜브(CNT) 소재를 사용해 무게 비중을 많이 차지하는 집전체를 제거하고 굽히거나 휘어질 수 있는 내구성까지 확보했다.

KERI가 개발한 리튬황배터리 에너지 밀도는 400와트시퍼킬로그램(Wh/kg)으로 세계최고 수준이다. 기존 경량·저비용 장점과 KERI가 확보한 높은 에너지 밀도 및 성능 안정성(수명성), 플렉시블 부분까지 결합돼 리튬황배터리의 상용화까지 기대할 수 있게 됐다. 항공우주, 플라잉카, 드론 등 미래형 항공 모빌리티 배터리로 활용될 전망이다.

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