연구성과
‘리튬-황 전지’ 개발 “2차 전지 성능저하 난제 풀었다”
용량 4배 크고 가격 1/5 불과…전기차 등에 상용화 박차
기존 리튬이온 전지의 단점으로 지적되어 온 저장 용량과 생산 단가의 한계를 극복한 차세대 배터리 상용화에 한발 더 다가섰다.
화학과 박문정 교수, 통합과정 김훈 씨 연구팀은 네이처 자매지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지를 통해 기존 리튬이온 전지에 비해 용량이 4배 이상 크고, 가격은 1/5 수준에 불과하며, 충전 시간도 10분 이내로 줄인 고성능 리튬-황 전지*1 제작 기술을 발표했다.
이번에 박 교수팀이 개발한 전지는 차세대 2차전지의 가장 큰 문제점 중 하나인 충‧방전 시 용량이 줄어드는 문제를 해결하고, 제작 단가까지 낮춰 대용량 에너지원으로서 리튬-황 전지의 상용화 가능성을 크게 앞당겼다는데 의미가 있다.
최근 전기자동차나 전력저장장치 등에 사용하기 위해 대용량 2차 전지의 필요성이 대두됨에 따라, 전 세계적으로 차세대 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 리튬-황 전지는 기존 리튬이온 전지에 비해 가격은 낮고 에너지 밀도는 높아 국내외 많은 과학자들 사이에서 차세대 배터리 소재로 주목을 받아 왔다. 다만, 충전 및 방전 횟수가 짧고, 황이 유기 전해액에 녹아내려 저장 용량이 급격히 줄어드는 문제점이 있었다.
이에, 연구팀은 리튬이온이 나노채널을 통해 빠르게 이동하는 특성을 활용, 충전 속도를 10분 이내로 확 줄이면서도, 전지 수명도 오랫동안 안정된 상태를 유지하는 새 유기·황고분자 양극재료를 개발했다. 또한 유기나노구조체를 합성하고 가황반응을 통해 황을 공유결합으로 고정시켜 용량 감소 문제를 해결했다. 뿐만 아니라 석유 정제공정에서 폐기되는 황 부산물을 활용할 수 있어 제조 단가도 기존 전지의 1/5 수준에 불과하며, 수십~수백 그램(g)으로 손쉽게 합성할 수 있어 대량 생산이 수월하다.
박문정 교수는 “개발된 리튬-황 전지는 무인기와 전기자동차, 재생에너지 저장장치 등에 필요한 차세대 고성능 이차전지의 실현을 앞당길 수 있는 기술”이라며 “향후 3차원적 채널구조에 따른 리튬-황 전지 특성을 규명하고, 상용화를 앞당기는데 최선을 다할 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 미래부 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일 에너지 연구단)의 지원을 받아 진행됐다.
1. 리튬-황 전지
황을 양극 활물질로 이용해 용량이 크고 안전성이 확보된 전지를 개발하는 2차 전지 기술 중 하나다. 싼 값에 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 중대형 2차 전지의 새로운 시장을 형성할 것으로 기대된다. 특히, 미래 전기 자동차 산업뿐만 아니라 기존의 리튬 이온 전지를 대체해 휴대용 전자 등 에너지 저장 분야에 폭넓게 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
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