한국전기연구원, UAM 핵심인 리튬황전지 상용화 '성큼'
박준우 박사팀, 탄소나노튜브+산소작용기로 리튬폴리설파이드 생성 억제
1000mAh급 고용량·대면적 파우치형 시제품 제작 성공…국제 학술지 게재
![[창원=뉴시스]'리튬황전지' 최대 난제 극복한 한국전기연구원 박준우(왼쪽서 네 번째) 박사팀. 탄소나노튜브와 산소 작용기를 결합한 기술로 차세대 리튬황전지의 수명 및 성능 저하 원인 제거에 성공했다.(사진=KERI 제공) 2025.01.20. photo@newsis.com](https://img1.newsis.com/2025/01/19/NISI20250119_0001753391_web.jpg?rnd=20250119141508)
[창원=뉴시스]'리튬황전지' 최대 난제 극복한 한국전기연구원 박준우(왼쪽서 네 번째) 박사팀. 탄소나노튜브와 산소 작용기를 결합한 기술로 차세대 리튬황전지의 수명 및 성능 저하 원인 제거에 성공했다.(사진=KERI 제공) 2025.01.20. [email protected]
양극이 황, 음극이 리튬금속으로 구성된 '리튬황전지'는 이론적인 에너지 밀도가 리튬이온전지의 8배 이상에 달할 정도로 잠재력이 높다.
또 고가의 희토류가 아닌 매장량이 풍부한 황(S)을 사용하기 때문에 가격이 저렴하고, 환경친화적이다.
리튬황전지는 가볍고 오래 가는 이차전지의 대표 주자로서 도심형 항공모빌리티(UAM) 시대를 이끌어 갈 핵심기술 분야로 손꼽힌다.
그러나 리튬황전지는 충·방전 과정에서 '리튬폴리설파이드'라는 중간 물질이 생성(용출, shuttle)되는데, 이 물질이 양극과 음극 사이를 이동하면서 불필요한 화학반응을 일으켜 전지 수명과 성능을 저하시키고 상용화를 막는 가장 큰 원인이 되고 있다.
이에 박준우 박사팀은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 산소 작용기를 결합한 신기술을 제시했다.
SWCNT는 '꿈의 신소재'라 불리는 2차원 평면 구조인 그래핀이 나선형으로 휘감아진 구조의 전도성 소재로, 육각형 모양 나노스케일 탄소로 구성돼 있다.
![[창원=뉴시스]한국전기연구원(KERI) 박준우 박사 연구팀이 리튬황전지 한계 극복을 위해 제시한 단일벽 탄소나노튜브와 산소 작용기를 결합한 신기술 개념도.(사진=KERI 제공) 2025.01.20. photo@newsis.com](https://img1.newsis.com/2025/01/19/NISI20250119_0001753393_web.jpg?rnd=20250119141741)
[창원=뉴시스]한국전기연구원(KERI) 박준우 박사 연구팀이 리튬황전지 한계 극복을 위해 제시한 단일벽 탄소나노튜브와 산소 작용기를 결합한 신기술 개념도.(사진=KERI 제공) 2025.01.20. [email protected]
이렇게 산소 작용기가 결합된 SWCNT는 충·방전 과정에서 팽창할 수 있는 전극을 안정적으로 감싸고, 리튬폴리설파이드의 생성 및 확산을 효과적으로 제어하는 것으로 확인됐다. 활물질인 황의 손실도 크게 줄일 수 있었다.
아울러 높은 유연성의 SWCNT와 친수성(친용매성)을 지닌 산소 작용기는 전극 제작 시 균일하고 매끄러운 표면을 구현할 수 있게 해줘 대면적·고용량전지 설계도 가능하게 만든다.
이를 통해 연구진은 50ⅹ60mm 크기의 유연한 후막 전극(thick electrode)을 만들 수 있었고, 이를 하나하나 적층하여 1000mAh(Ah는 전지 용량을 나타내는 단위로 1시간 동안 사용할 수 있는 전류량을 의미한다. 1Ah는 1000mAh)급 파우치형 리튬황전지 시제품까지 제작하는 데 성공했다.
이 시제품은 100회 충·방전을 거쳐도 용량이 85% 이상 유지되는 높은 성능을 보였다.
박준우 박사는 "이번에 개발한 기술은 SWCNT와 산소 작용기와의 결합을 통해 리튬황전지의 가장 큰 난제를 극복한 것은 물론, 대면적·고용량 유연 전극 설계 및 시제품 제작까지 달성한 종합적인 결과물"이라고 강조했다.
![[창원=뉴시스]한국전기연구원(KERI) 박준우 박사 연구팀이 유연 후막 전극을 적층하여 만든 1000mAh(1Ah)급 파우치형 유연 리튬황전지 시제품.(사진=KERI 제공) 2025.01.20. photo@newsis.com](https://img1.newsis.com/2025/01/19/NISI20250119_0001753396_web.jpg?rnd=20250119142013)
[창원=뉴시스]한국전기연구원(KERI) 박준우 박사 연구팀이 유연 후막 전극을 적층하여 만든 1000mAh(1Ah)급 파우치형 유연 리튬황전지 시제품.(사진=KERI 제공) 2025.01.20. [email protected]
KERI는 차세대 리튬황전지가 필요한 도심형 항공모빌리티 및 항공·우주, ESS, 전기차 등 관련 분야 수요 기업을 발굴해 기술이전을 추진한다는 계획이다.
이번 연구는 글로벌 탑 전략연구단 사업(시장선도형 차세대 이차전지 혁신전략연구단) 및 KERI 기본사업(리튬황전지)으로 진행됐으며, 국내 특허 출원까지 마쳤다.
또, 연구 논문(제1저자 허준영 UST KERI 캠퍼스 박사과정, 공동교신저자 한중탁 박사, 교신저자 박준우 박사)은 재료과학 분야 국제 유명 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 게재됐다. 논문 수준을 평가하는 'Impact Factor'는 14.3으로, 상위 7.18%에 속한다.
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