[더테크 이지영 기자]  한국전기연구원은 차세대전지연구센터 박준우 박사팀이 차세대 리튬황전지 상용화를 막던 난제를 극복하고, 대면적·고용량 시제품까지 만드는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

리튬황전지는 가볍고 오래 가는 이차전지의 대표 주자로서, 도심형 항공모빌리티(UAM) 시대를 이끌어 갈 핵심 기술 분야로 손꼽힌다.

양극(+)이 황, 음극(-)이 리튬금속으로 구성된 리튬황전지는 이론적인 에너지 밀도가 리튬이온전지의 8배 이상에 달할 정도로 잠재력이 높다. 또한, 고가의 희토류가 아닌, 매장량이 풍부한 황(S)을 사용하기 때문에 가격이 저렴하고, 환경친화적이다.

하지만, 리튬황전지는 충·방전되는 과정에서 ‘리튬폴리설파이드’라는 중간 물질이 생성(용출, shuttle)되는데, 이 물질이 양극과 음극 사이를 이동하며 불필요한 화학 반응을 일으켜 전지의 수명과 성능을 저하시키고, 상용화를 막는 가장 큰 원인이 됐다.

이에 박준우 박사팀은 단일벽 탄소나노튜브 탄소나노소재는 탄소가 육각형 모양으로 이루어진 나노스케일의 전도성 소재로, 꿈의 신소재라 불리는 2차원 평면 구조인 `그래핀`과 그래핀이 나선형으로 휘감아진 구조인 `탄소나노튜브` 등이 있다. 그중에서도 탄소나노튜브는 다중벽과 단일벽으로 나뉘는데, 벽이 1개인 단일벽이 가늘고 투명해 물성과 전기전도성이 훨씬 좋다.

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

박준우 박사는 “우리의 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 밝히며 “실제 산업 현장에 활용될 수 있을 정도의 기초 틀을 마련한 것으로, 차세대 리튬황전지의 실질적인 상용화 가능성을 연 큰 성과”라고 전했다.

이번 연구결과는 우수성을 인정받아 재료과학 분야 세계 최고 수준의 저널인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 논문이 게재됐다.