오래 가고 힘 좋은 ‘리튬황전지’ 개발

카이스트 김도경·최장욱 교수 연구팀, 리튬이온건전지 단점 해결…세계 학술지 표지논문 실려

탄소 코팅된 황 나노 와이어 정렬구조(왼쪽 위 1, 2 프레임), 단일 황 나노와이어(왼쪽 아래), 황 나노 와이어 정렬 구조 모식도(오른쪽).

[아시아경제 이영철 기자] 리튬이온 건전지의 수명과 에너지밀도를 크게 높인 리튬황전지가 개발됐다.

3일 카이스트(총장 강성모)는 신소재공학과 김도경(54) 교수와 EEWS 최장욱(39) 교수가 공동으로 쓰고 있는 리튬이온건전지의 수명 및 에너지밀도를 크게 뛰어넘는 리튬황전지를 개발했다고 밝혔다.

연구결과는 나노소재분야에서 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 3일자 표지논문(frontispiece)으로 실렸다.

개발된 리튬황전지는 ▲단위무게의 에너지밀도가 최대 2100Wh/kg로 리튬이온전지(최대 387Wh/kg)의 5.4배에 이르고 ▲이미 개발된 리튬황전지가 갖는 충·방전에 따른 큰 용량감소문제를 풀 수 있다.

김 교수 연구팀은 나노 전극 재료합성기술을 활용, 두께 75nm(나노미터) 길이 15㎛(마이크로미터)의 황 나노와이어를 수직으로 정렬해 전극재료를 만들었다.

만들어진 황 나노와이어 정렬구조는 1차원 구조체로 빠른 전자를 옮길 수 있어 전극의 전도도를 극대화시켰다. 전도도는 전기가 얼마나 잘 통하는가, 즉 전류가 잘 흐르는 지를 나타내는 크기다.

또 황 나노와이어 겉면에 고르게 탄소를 코팅해 황과 전해액의 직접적인 접촉을 막아 충·방전 중 황이 녹는 것을 막아 리튬황전지가 갖는 수명이 낮아지는 문제를 해결했다.

개발된 전극은 빠른 방전속도(3분마다 1회 충·방전 조건)에서 300회의 충·방전 뒤에도 초기용량의 99.2%를 유지했고 1000회의 충·방전 뒤에도 70%이상 용량을 나타냈다.

따라서 이차전지에서 가장 중요한 특성인 수명, 에너지밀도 등에서 어떤 전극보다 성능이 뛰어난 세계 최고수준으로 평가받고 있다.

김도경 카이스트 교수는 “개발된 리튬황전지는 무인기, 전기자동차, 재생에너지 저장장치 등에 필요한 차세대 고성능 이차전지의 실현을 앞당길 수 있는 기술”이라며 “대표적 차세대 이차전지인 리튬황전지의 오랜 과제인 수명저하의 해결방안을 찾아 세계 최고수준의 성능을 만들었다는데 의미가 있다”고 말했다.

한편 연구팀은 관련기술에 대해 국내 특허 1편과 특허협력조약(PCT, Patent Cooperation Treaty) 국제 특허 1편의 출원을 마쳤다.

이영철 기자 panpanyz@