전기硏, ‘활성탄+인’ ‘탄소나노튜브’로 리튬황 배터리 고성능 상용화

차세대전지연구센터 박준우 박사팀…국제 학술지 ‘스몰’ 논문 게재

심유빈 승인 2022.04.11 23:01 | 최종 수정 2022.04.12 01:32 의견 0

[에너지산업신문]

한국전기연구원 차세대전지연구센터 박준우 박사팀이 활성탄과 인(P), 탄소나노튜브 등을 이용해 충방전 반복 시 황 용출 현상을 줄이고 내구성과 에너지 밀도를 획기적으로 높인 리튬황배터리를 개발했다.

11일 전기연구원에 따르면 박준우 박사, 홍정원 연구원, 백강준 부경대 교수로 이뤄진 연구팀이 개발한 ‘저비용 플렉시블 고에너지밀도 리튬황배터리’가 높은 수준을 인정받아 독일의 재료분야 저명 학술지 ‘스몰(Small)’ 표지논문으로 선정됐다. 이번 연구는 KERI 주요사업 및 부경대학교 기초연구실사업의 지원으로 진행됐다.

리튬황배터리는 리튬이온배터리에 비해 에너지 밀도가 무려 5배나 높아 차세대 배터리 대표주자로 손꼽힌다. 하지만 충·방전 과정에서 리튬과 황이 만나면 중간 생성물인 황화리튬(Li₂S)이 된다.

이는 전해액 용해도가 높아 충방전이 거듭되면서 양극 활물질 가운데 황 성분이 손실되는 ‘용출 현상’이 나타난다. 황이 지속적으로 전해질에 녹아, 결국 황의 양이 감소하는 것이다. 이는 수명 및 안전성 저하와 직결돼 리튬황배터리 상용화를 막는 난제 중 하나였다.

연구팀은 숯처럼 작은 기공(氣孔)이 있고 흡착성이 강한 활성탄을 배터리 내부의 분리막 코팅 소재로 이용해 충방전을 거듭하면서 발생하는 황화리튬을 물리적으로 잡아냈다. 역시 흡착성이 강한 인을 탄소재에 입혀 화학적으로 잡아내 성능 저하를 눈에 띄게 저감시켰다.

전기연구원 박준우 박사·홍정원 연구원, 부경대 백강준 교수(왼쪽부터). (c)한국전기연구원

연구진이 개발한 리튬황배터리는 니켈‧코발트같이 비싼 희토류가 아니라, 비교적 양이 풍부한 자원인 황(S)을 양극재로 사용해 제조 단가를 크게 낮출 수 있다. 연구팀은 리튬황배터리의 황 양극에 유연하고 가벼우며, 전기전도성과 강도가 높은 탄소나노튜브(CNT) 소재를 사용했다. 무게 비중을 차지하는 집전체를 제거해 에너지 밀도를 높이고, 굽히거나 휘어지는 내구성도 확보했다.

전기연구원이 이번에 개발한 리튬황배터리 에너지 밀도는 400Wh/kg으로 세계 최고 수준이다. 리튬황배터리의 경량·저비용, 전기연구원이 확보한 높은 에너지 밀도 및 성능 안정성과 수명, 유연성과 내구성 등 강점을 결합해 상용화까지 기대할 수 있다. 장시간 운행이 필요한 미래형 항공 모빌리티의 배터리 분야에 크게 활용될 것으로 보인다.

박준우 전기연구원 박사는 “리튬황배터리는 값싸고 풍부한 황과 탄소재를 사용하기 때문에 우리나라같이 희토류가 부족한 국가에 꼭 필요한 기술”이라며 “이번 성과를 기존에 연구원이 개발해 보유하고 있던 ‘고체 전해질 저가 대량 합성 기술’과 융합해 차세대 리튬황 전고체배터리 원천기술까지 확보할 수 있도록 노력하겠다”고 전했다.

한국전기연구원이 개발한 '저비용 플렉시블 고용량 리튬황배터리’.
(c)한국전기연구원

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