리튬황전지 상용화 위한 핵심 기술 개발

한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 박준우 박사팀은 차세대 리튬황전지의 상용화를 막던 난제를 해결하고, 대면적·고용량 시제품까지 성공적으로 제작했다. 이번 연구에서 박사팀은 탄소나노튜브(SWCNT)와 산소 작용기를 결합한 신기술로 리튬폴리설파이드 용출 억제에 성공하며, 리튬황전지의 성능을 크게 향상시켰다.

리튬황전지의 잠재력과 문제점
리튬황전지는 이론적으로 리튬이온전지보다 8배 높은 에너지 밀도를 자랑하는 고효율 전지로, 매장량이 풍부한 황을 사용해 가격이 저렴하고 환경 친화적인 특성을 지닌다. 그러나 리튬황전지는 충·방전 과정에서 발생하는 리튬폴리설파이드의 용출(shuttle) 문제로 성능 저하와 수명 단축이 발생해 상용화에 어려움이 있었다.


신기술로 난제 해결
박준우 박사팀은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 산소 작용기를 결합한 새로운 기술을 제시했다. SWCNT는 강철보다 강도가 높고, 구리와 유사한 전기 전도성을 가진 소재로, 리튬황전지의 충·방전 과정에서 팽창할 수 있는 전극을 안정적으로 감싸면서 리튬폴리설파이드의 용출과 확산을 효과적으로 제어한다. 이를 통해 전지의 수명과 성능을 크게 향상시킬 수 있었다.


박사팀은 SWCNT와 산소 작용기를 결합해 50x60mm 크기의 유연한 후막 전극을 제작하고, 이를 통해 1,000mAh 용량의 파우치형 리튬황전지 시제품을 제작했다. 이 전지는 100회 충·방전 후에도 용량을 85% 이상 유지하는 뛰어난 성능을 보였다.

산업적 상용화 가능성 제시
박준우 박사는 "이번 기술은 리튬황전지의 가장 큰 난제를 극복한 것으로, 상용화 가능한 기초 틀을 마련했다"며, "차세대 리튬황전지의 상용화 가능성을 크게 높였다"고 말했다. 이 연구 결과는 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 저널에 게재되었으며, KERI는 이 기술을 바탕으로 도심형 항공모빌리티(UAM), 전기차, ESS 등 다양한 산업에 기술 이전을 추진할 예정이다.

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KERI는 이번 성과를 바탕으로 국내 특허 출원을 완료했으며, 관련 기술이 필요한 산업 분야의 수요업체를 발굴하고, 기술 이전을 적극적으로 추진할 계획이다.