전기연, 리튬황전지 최대 난제인 리튬폴리설파이드 용출 억제 성공

탄소나노튜브·산소 작용기 결합 기술…국제 학술지에도 게재

한국전기연구원은 탄소나노튜브·산소 작용기로 리튬황전지’ 최대 난제인 ‘리튬폴리설파이드’ 용출 억제를 극복하고 대면적·고용량 시제품까지 만드는 데 성공했다고 20일 밝혔다.

리튬황전지는 이론적인 에너지 밀도가 리튬이온전지의 8배 이상에 달할 정도로 잠재력이 높다. 또 고가의 희토류가 아닌 황을 사용하기 때문에 가격이 저렴하고 환경친화적이다.

이 전지는 가볍고 오래 가는 이차전지의 대표 주자로 도심형 항공모빌리티(UAM) 시대를 이끌어 갈 핵심 기술 분야로 손꼽힌다.

하지만 충·방전되는 과정에서 ‘리튬폴리설파이드’라는 중간 물질이 생성돼 이 물질이 양극(황)과 음극(리듐) 사이를 이동하며 불필요한 화학 반응을 일으켜 전지의 수명과 성능을 저하시키고 상용화를 막는 가장 큰 원인이 됐다.

▲탄소나노튜브 및 산소 작용기로 리튬황전지’ 최대 난제인 ‘리튬폴리설파이드’ 용출 억제를 극복하고 대면적·고용량 시제품까지 만드는 데 성공한 한국전기연구원 박준우(왼쪽 네번째) 연구팀.ⓒ한국전기연구원

한국전기연구원 박준우 박사팀은 이에 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 산소 작용기를 결합한 신기술을 제시했다.

탄소나노튜브는 강철보다도 센 강도 및 구리와 버금가는 전기 전도성을 지닌 미래 신소재이다.

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

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

뿐만 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 만든다.

연구진은 이를 통해 50x60mm 크기의 유연한 후막 전극(thick electrode) 후막 전극을 만들 수 있었고, 이를 하나하나 잘 적층해 1000mAh(1Ah)급 파우치형 리튬황전지 시제품도 만드는 데 성공했다.

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

이번 논문은 재료과학 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 사이언스에 실렸다.

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

한국전기연구원 앞으로 도심형 항공모빌리티와 항공·우주, ESS, 전기차 산업 등 차세대 리튬황전지가 필요한 수요업체를 발굴해 기술이전을 추진할 계획이다.