KERI, '고에너지밀도 플렉시블 리튬황배터리' 개발

기존 배터리 상용화 난제 활성탄과 인으로 해결
경량·유연성 강화로 차세대 모빌리티에 활용 기대

한국전기연구원이 리튬황배터리 상용화 난제를 해결했다.

KERI가 개발한 저비용 플렉시블 고용량 리튬황배터리
<KERI가 개발한 저비용 플렉시블 고용량 리튬황배터리>

한국전기연구원(KERI·원장 명성호)은 박준우·홍정원 차세대전지연구센터 연구팀이 백강준 부경대 교수와 '저비용 플렉시블 고에너지밀도 리튬황배터리' 제조기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

리튬황배터리는 황(S)을 양극재로 사용해 제조단가를 크게 낮출 수 있다. 이론적으로 리튬이온배터리보다 에너지 밀도도 5배나 높아 차세대 배터리 가운데 하나로 꼽힌다.

하지만 충·방전 과정에서 리튬과 황이 만나 '황화리튬(일명 리튬폴리설파이드)'이 생성되는데, 이 리튬폴리설파이드는 전해액에 대한 용해도가 높아 배터리 충·방전을 거듭할수록 양극 활물질이 손실된다. 황이 지속적으로 전해질에 녹아 결국 황의 양이 감소하면서 수명과 안전성 저하를 불러오는 문제다.

저비용 플렉시블 고에너지밀도 리튬황배터리 개발 주역(왼쪽부터 박준우 연구원, 홍정원 연구원, 백강준 부경대 교수)
<저비용 플렉시블 고에너지밀도 리튬황배터리 개발 주역(왼쪽부터 박준우 연구원, 홍정원 연구원, 백강준 부경대 교수)>

연구팀은 활성탄과 인(P)을 활용해 이 문제를 해결했다. 숯처럼 작은 기공을 지닌 활성탄을 배터리 분리막 코팅 소재로 사용해 충·방전 시 발생하는 리튬폴리설파이드를 물리적으로 잡아내고, 흡착력이 높은 인을 탄소재에 도핑해 화학적 캡쳐링을 유도했다.

리튬황배터리의 플렉시블 기능을 강화해 활용도를 높이는 데도 성공했다. 황 양극에 기존 집전체 대신 유연 탄소나노튜브(CNT)를 적용해 무게는 낮추고, 동시에 에너지 밀도는 높이면서 유연성과 내구성까지 확보했다.

연구팀이 개발한 리튬황배터리 에너지 밀도는 400Wh/kg으로, 세계 최고 수준을 나타냈다. 장시간 운행이 필요한 플라잉카, 드론 등 미래형 항공 모빌리티 배터리로 활용이 기대된다. KERI 보유 '고체 전해질 저가 대량 합성 기술'과 융합해 차세대 리튬황전고체배터리 원천기술을 확보할 계획이다.

박준우 연구원은 “리튬황배터리는 값싸고 풍부한 황과 탄소재를 사용하기에 우리나라처럼 희토류가 부족한 국가에 꼭 필요한 기술”이라며 “기존 리튬황배터리의 경량·저비용 기능에 새로이 높은 에너지 밀도와 성능 안정성(수명성), 플렉시블(내구성) 기능을 추가해 상용화 가능성을 높였다”고 설명했다.

스몰 표지논문 이미지.
<스몰 표지논문 이미지.>

이번 연구결과는 재료 분야 학술지 '스몰' 표지논문으로 실렸다.

창원=임동식기자 dslim@etnews.com