기존 리튬이온전지 단점으로 지적돼 온 저장용량과 생산단가 한계를 극복한 차세대 배터리 상용화 기술이 개발됐다.
박문정 포스텍(POSTECH) 화학과 교수와 통합과정 김훈씨 연구팀은 기존 리튬이온전지에 비해 용량은 4배 이상 크고 가격은 5분의 1 수준이며, 충전 시간을 10분 이내로 줄인 고성능 리튬-황 전지 제작 기술을 개발했다.
이번 연구결과는 네이처 자매지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지에 소개됐다.
박 교수팀이 개발한 전지는 차세대 이차전지의 가장 큰 문제점 중 하나인 충방전 시 용량이 줄어드는 문제를 해결했다는 점이다. 또 제작 단가까지 낮춰 대용량 에너지원으로서 리튬-황 전지의 상용화 가능성을 크게 앞당겼다는 데 의미가 있다.
최근 전기자동차나 전력저장장치 등에 사용하기 위해 대용량 이차전지 연구가 활발하다. 특히 리튬-황 전지는 기존 리튬이온 전지에 비해 가격은 낮고 에너지 밀도는 높아 국내외 많은 과학자들 사이에서 차세대 배터리 소재로 주목 받아 왔다.
하지만 충전 및 방전 횟수가 짧고, 황이 유기 전해액에 녹아내려 저장용량이 급격히 줄어드는 문제점이 있었다.
연구팀은 리튬이온이 나노채널을 통해 빠르게 이동하는 특성을 활용, 충전 속도를 10분 이내로 줄였다. 전지 수명도 오랫동안 안정된 상태를 유지하는 새 유기·황 고분자 양극재료를 개발해 해결했다. 특히 유기나노구조체를 합성하고 가황반응을 통해 황을 공유결합으로 고정시켜 용량 감소 문제를 해결했다.
이 뿐만 아니라 석유 정제공정에서 폐기되는 황 부산물을 활용할 수 있어 제조단가도 크게 줄였다. 게다가 수십~수백그램(g)으로 손쉽게 합성할 수 있어 대량 생산이 가능하다.
박문정 교수는 “개발된 리튬-황 전지는 무인기와 전기자동차, 재생에너지 저장장치 등에 필요한 차세대 고성능 이차전지 실현을 앞당길 수 있는 기술”이라며 “향후 3차원적 채널 구조에 따른 리튬-황 전지 특성을 규명하고 상용화를 앞당기는 데 최선을 다할 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일 에너지 연구단)의 지원을 받아 진행됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
