▲ 플렉서블 유리 섬유 막 전극(FSME)의 전기화학 반응 모식도 및 전지 구동 그래프.

국내 연구진이 저비용의 유리섬유를 사용해 친환경적으로 제조 가능한 리튬-황 전지를 개발했다. 저비용으로 대량생산의 길이 열리면서 전기자동차 등 다양한 분야 활용이 기대된다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 김도경 한국과학기술원 교수 연구팀이 친환경·저비용 소재인 유리 섬유막을 리튬-황 전지에 최초로 적용해 고효율 전극 소재를 개발했다고 31일 밝혔다.

리튬-황 전지는 휴대기기에 쓰이는 기존의 리튬이온 전지보다 용량과 에너지 밀도가 우수하다. 전기자동차에서 한번 충전 시 약 200km 내외의 거리를 주행하는 리튬이온 전지팩에 비해 리튬-황전지는 한번 충전으로 400km이상의 거리 주행이 가능해 차세대 대용량 에너지 저장장치로서 각광받고 있다.

그러나 황의 낮은 전기전도도, 충전·방전할 때의 부피 변화, 리튬과 황의 반응물질로 인한 전지의 수명 감소 등으로 인해 리튬-황 전지를 상용화하기에는 아직 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해서 기존에는 고비용의 탄소재료를 다량 첨가하거나, 독성 및 발암성 용매를 사용하는 방법 뿐이었다.

이에 연구진은 이산화규소로 구성된 수백 나노미터 이하의 두께를 갖는 유리 섬유를 자가엮임(self-weaving) 방법을 통해 막(membrane)의 형태로 제조한 유리 섬유막을 리튬-황 전지에 최초로 적용하는 아이디어를 제안했다.

어디서나 볼 수 있는 유리섬유의 값싸고 무해한 특성이 리튬-황 전지에도 적용된 것이다.

이 연구에서 개발된 전극은 구부려도 기계적으로 손상되지 않는 유연성이 있고, 전지의 원활한 구동을 돕기 위한 바인더 및 금속 집전체 등의 부속물들이 첨가되지 않아 전지의 질량당 에너지 밀도가 뛰어나다.

또한 유리 섬유막 내부에 첨가된 탄소나노튜브와 이산화망간으로 인하여 전기전도도도 높아지고 전지의 성능이 감소되는 것도 방지됐다.

유리섬유가 포함된 리튬-황 전지의 에너지 밀도는 그램(g)당 1,210 밀리암페어아워(mAh)로, 리튬이온 전지의 6배 이상이다. 또한 100회의 충전과 방전 후에도 970 밀리암페어아워(mAh)로 유지되어, 안정적인 수명 특성을 보여주었다.

김도경 교수는“이 연구는 비용 및 유해성의 측면에서 우수하면서도 효율성이 높은 새로운 전극 제조 방식을 개발한 것으로, 리튬-황 전지의 상용화와 대량생산이 가능하게 하였다. 향후 전기자동차 등에 리튬-황 전지를 적용하여 에너지 저장 용량을 극대화할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(개인연구), 과학기술정보통신부·한국과학기술단체총연합회 해외고급과학자초빙(Brain Pool)사업 등의 지원으로 수행되었다. 신소재공학 분야 국제학술지 어드밴스드 서스테이너블 시스템즈(Advanced Sustainable Systems) 7월 27자에 게재되었다.