KERI, 차세대 리튬황전지 상용화 앞당긴다…

박준우 박사 연구팀, 리튬폴리설파이드 용출 억제 기술 확보
1,000mAh급 고용량·대면적 파우치형 유연 전지 구현…국제 저명 학술지 논문 게재

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리튬 기반 이차전지는 전기차, 에너지저장장치(ESS), 항공우주 산업 등에서 핵심적인 역할을 하고 있다. 그러나 더 높은 에너지 밀도를 가지면서도 안전성과 내구성을 유지하는 차세대 리튬전지를 개발하는 것은 여전히 해결해야 할 과제가 많다.

한국전기연구원(KERI, Korea Electrotechnology Research Institute) 차세대전지연구센터 박준우 박사 연구팀이 차세대 리튬황전지의 상용화를 가로막던 최대 난제를 해결하고, 대면적·고용량 시제품 제작에 성공했다.

리튬황전지는 양극(+)에 황(S), 음극(-)에 리튬금속을 사용하는 차세대 이차전지로, 이론적 에너지 밀도가 기존 리튬이온전지보다 8배 이상 높다. 또한, 희귀 금속 대신 풍부한 황을 활용해 가격이 저렴하고 환경친화적이라는 장점이 있다.

특히, 리튬황전지는 가볍고 수명이 길어 도심항공모빌리티(UAM), 항공·우주, 전기차 및 에너지저장장치(ESS) 산업의 핵심 기술로 주목받고 있다. 그러나 실용화를 위해 해결해야 할 가장 큰 문제가 있었다.

리튬황전지는 충·방전 과정에서 리튬폴리설파이드(Lithium Polysulfides)라는 중간 물질이 용출(shuttle)되면서 양극과 음극 사이를 이동한다. 이 과정에서 불필요한 화학 반응이 발생해 전지의 성능과 수명을 저하시키고, 상용화를 어렵게 만드는 원인이 됐다.

이를 해결하기 위해 박준우 박사팀은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, Single-Walled Carbon Nanotube)와 산소 작용기(Oxygen Functional Group)를 결합한 신기술을 도입했다.

• SWCNT: 강철보다 강하고, 전기전도성이 구리에 필적하는 차세대 소재
• 산소 작용기: SWCNT의 분산성을 향상시켜 전극 내 균일한 구조 형성 및 리튬폴리설파이드 확산 억제

이 조합을 통해 충·방전 시 전극의 팽창을 안정적으로 제어하고, 황의 손실을 최소화하는 데 성공했다. 이는 리튬황전지의 수명 연장과 성능 향상에 결정적인 역할을 하게 된다.

또한, SWCNT의 **높은 유연성과 산소 작용기의 친수성(친용매성)**을 활용하여 균일하고 매끄러운 전극 표면을 구현했다. 이를 통해 연구팀은 50×60mm 크기의 유연한 후막 전극(thick electrode)을 제작할 수 있었으며, 이를 기반으로 1,000mAh(1Ah)급 파우치형 리튬황전지 시제품을 성공적으로 조립했다.

해당 시제품은 100회 충·방전 후에도 85% 이상의 용량을 유지하는 높은 성능을 입증했다. 이는 차세대 리튬황전지의 실용화 가능성을 한층 높이는 중요한 성과로 평가된다.

박준우 박사는 “SWCNT와 산소 작용기의 결합을 통해 리튬황전지의 가장 큰 난제를 해결했을 뿐만 아니라, 대면적·고용량 유연 전극 설계 및 시제품 개발까지 달성했다”며, “실제 산업 현장에 적용할 수 있는 기반을 마련했다는 점에서 의미가 크다”고 강조했다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 세계 최고 수준의 저널인 Advanced Science에 게재됐으며, 논문의 Impact Factor는 14.3으로 상위 7.18%에 해당하는 연구로 인정받았다.

KERI는 이미 국내 특허 출원을 완료했으며, 이번 성과가 UAM, 항공·우주, ESS, 전기차 등 차세대 리튬황전지를 필요로 하는 산업계에서 큰 관심을 받을 것으로 기대하고 있다.

이에 따라 수요업체를 발굴해 기술이전을 추진할 계획이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회(NST) 산하 정부출연연구기관인 KERI의 ‘글로벌 탑 전략연구단’ 사업(시장 선도형 차세대 이차전지 혁신 전략연구단) 및 KERI 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.