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용량 8배 큰 차세대 배터리, 상용화 성큼

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2017년 10월 24일 18:00 프린트하기

기사의 이해를 돕기위해 사용된 이미지로 본 연구성과와는 관련이 없습니다. - 위키미디어 제공
기사의 이해를 돕기위해 사용된 이미지로 본 연구성과와는 관련이 없습니다. - 위키미디어 제공

차세대 이차전지로 각광받는 ‘리튬황전지’의 상용화를 앞당길 핵심 기술을 국내 연구진이 개발했다. 대용량 전지를 더 오래, 폭발위험 없이 사용할 수 있어 향후 무인자동차용 배터리로 사용할 수 있으리란 기대다.

 

조원일 한국과학기술연구원(KIST) 녹색도시기술연구소 책임연구원 팀은 리튬황전지의 성능과 수명을 개선할 핵심 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

 

리튬황전지는 현재 스마트폰이나 노트북PC 등에 주로 사용하는 리튬이온전지보다 이론적으로 약 8배 높은 에너지 밀도를 갖는다. 같은 무게의 전지라도 용량이 8배 크단 의미다. 하지만  충전과 방전을 거듭하는 과정에서 전지의 용량이 빠르게 감소해 상용화의 걸림돌이 됐다.

 

리튬황전지는 황을 양극으로, 리튬 금속을 음극으로 사용하는 구조다. 사용할 땐(방전) 리튬이온이 음극에서 나와 양극으로 이동하고, 충전 과정에서 다시 음극으로 돌아간다. 문제는 황과 리튬이온이 반응하는 과정에서 생성되는 ‘리튬폴리설파이드’가 쉽게 액체 전해질에 녹아버려 다시 사용할 수 없다는 점이다. 그 결과 전지의 용량이 빠르게 감소하고, 충·방전 수명 역시 짧아진다.

 

연구진은 전극에 일종의 보호막을 씌우는 방식으로 이 문제를 해결했다. 연구진이 개발한 ‘인공 고체-전해질 중간물질(ASEI)’은 수~수십㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m)의 얇은 막이다. 전극 표면에 코팅하면 생성물인 리튬폴리설파이드가 전해질에 녹는 것을 막을 수 있다.

 

또 연구진은 리튬이온전지의 고질적 문제인 폭발 위험도 ASEI를 통해 해결했다. 리튬이온의 표면 역시 ASEI로 코팅해, 리튬이온이 이동하는 과정에서 생기는 불순물이 퇴적돼 분리막을 파손시키는 문제를 잡았다.

 

실제로 연구진은 실험실 수준에서 같은 무게의 리튬이온전지에 비해 용량이 3배 큰 리튬황전지를 개발했고, 1000번의 충·방전 과정에서 안정적으로 성능을 유지함을 확인했다.

 

조 연구원은 “리튬금속을 음극으로 사용하는 차세대 이차전지의 상용화를 앞당기게 될 것”이라며 “개발한 리튬황전지는 가볍고 에너지 출력이 높아 향후 드론, 자율주행차와 에너지저장시스템(ESS)등에 적용될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 

 

이 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노 에너지’ 7일자 온라인 판에 실렸다. 

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