김희탁 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수 연구진이 LG에너지솔루션과의 공동 연구를 통해 리튬황전지 성능 저하 원인을 규명하고, 성능을 개선할 수 있는 기술을 개발했다./KAIST

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전기자동차 시장의 성장에 이어, 항공 교통을 연결하는 도심 항공 모빌리티(Urban Air Mobility, UAM) 시장이 배터리 산업의 새로운 전환점으로 주목받고 있다. 대학과 기업 공동 연구진이 항공 모빌리티를 위한 주 에너지원으로 쓰이는 리튬이온전지의 한계를 해결할 차세대 리튬황전지를 개발했다.

김희탁 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수 연구진은 LG에너지솔루션 공동 연구진과 협력 연구를 통해 리튬황전지 성능 저하 원인을 규명하고, 이를 바탕으로 성능을 개선할 수 있는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 지난 11월 30일 게재됐다.

지난해 중국 CATL은 ‘응축 배터리(Condensed battery)’ 기술을 발표하며 항공용 배터리 시장을 준비하고 있다고 밝혔다. 이 가운데 기존 리튬이온전지를 뛰어넘는 차세대 기술로 리튬황전지가 주목받고 있다. 리튬황전지는 기존 리튬이온전지 대비 2배 이상의 무게당 에너지밀도를 구현할 수 있어 UAM 시장의 게임 체인저로 평가받는다.

하지만 기존 리튬황전지 기술은 배터리의 안정적 구동을 위해 많은 양의 전해액이 필요해 전지 무게가 증가하고, 결과적으로 에너지밀도가 감소하는 문제가 있었다. 더불어 전해액 사용량을 줄인 희박 전해액 환경에서는 성능 열화가 가속화되지만, 퇴화 메커니즘조차 명확히 밝혀지지 않아 UAM용 리튬황전지 개발이 난항을 겪어 왔다.

연구진은 전해액 사용량을 기존 대비 60% 이상 줄이고도 1㎏당 400Wh(와트시, 1시간 동안 생산한 전력량 단위) 이상의 에너지밀도를 구현하는 리튬황전지를 개발했다. 상용 리튬이온전지보다 에너지밀도가 60% 이상 높으면서도 안정적인 수명 특성을 확보하는 데 성공했다.

연구진은 다양한 전해액 환경에서 배터리를 테스트해 리튬황전지 성능 저하의 주요 원인이 전극 부식으로 인한 전해액 고갈인 것을 밝혀냈다. 이를 해결하기 위해 ‘불소화 에테르 용매’를 도입해 리튬 금속 음극의 안정성과 가역성을 높이고 전해액 분해를 줄이는 데 성공했다.

김희탁 교수는 “이번 연구는 리튬황전지에서 전해액 설계를 통한 전극계면 제어의 중요성을 밝힌 의미 있는 연구이자 대학과 기업의 협력을 통해 이루어진 대표적인 성공 사례”라며 “UAM과 같은 차세대 모빌리티 배터리 상용화를 앞당기는 데 큰 진전을 이룰 것”이라고 말했다.

참고 자료

Advanced Energy Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202403828

홍아름 기자(arhong@chosunbiz.com)

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