탄소나노튜브 및 산소 작용기 결합 기술…국제 학술지에도 게재
(창원=연합뉴스) 김선경 기자 = 한국전기연구원(KERI, 이하 전기연)은 차세대전지연구센터 박준우 박사팀이 도심항공교통(UAM) 시대를 이끌어 갈 핵심 기술분야인 '리튬황전지'의 상용화를 막는 난제를 해결할 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.
이차전지의 대표 주자인 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.
그러나 리튬황전지는 충·방전 과정에서 '리튬폴리설파이드'라는 중간 물질이 생성(용출·shuttle)된다.
이 물질은 양극과 음극 사이를 이동하며 불필요한 화학반응을 일으켜 전지의 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 설명했다.
ksk@yna.co.kr
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