국립산림과학원, 차세대 리튬-황 종이전지 핵심 기술 세계 최초 개발

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국립산림과학원, 차세대 리튬-황 종이전지 핵심 기술 세계 최초 개발

무게는 가볍고 유연성까지 갖춘 고용량 차세대 전지로 다방면으로 활용 가능

국립산림과학원이 개발한 리튬-황 종이전지 관련 브리핑을 하는 이창재 국립산림과학원장

국립산림과학원이 개발한 리튬-황 종이전지 관련 브리핑을 하는 이창재 국립산림과학원장
산림청 국립산림과학원(원장 이창재)은 울산과학원과 공동으로 나무로부터 얻은 나노셀룰로오스(Nanocellulose)를 이용해 폭발 위험성이 낮고 수명도 늘린 리튬-황 종이전지의 핵심 원천기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

현재 휴태폰 배터리 등에는 리튬이온 전지가 널리 사용되고 있지만 중량을 줄이고 에너지 용량은 넓히는 것이 과제로 이를 대체할 차세대 전지개발을 위한 연구가 국내외에서 활발하게 이뤄지고 있다.

이 가운데 기존 리튬이온 전지에 사용되는 활물질인 코발트를 황으로 대체한 리튬-황 전지가 차세대 전지로 주목을 받고 있지만 음극과 양극을 분리하면서 리튬이온을 이동시키는 역할을 하는 분리막으로 열에 약한 플라스틱을 사용하면서 폭발 위험성이 약점으로 지적돼 왔다.

또 황을 전극으로 사용하면 충전과 방전을 반복하는 과정에서 황부산물이 생성되는데 이 것이 전지의 용량과 수명을 급격히 감소시키는 원인이 돼 리튬-황 전지의 상용화에 걸림돌이 돼 왔다.

국립산림과학원 신소재연구팀은 울산과학기술원 이상영 교수 연구팀과 공동으로 나무세포를 얇게 쪼갠 차세대 친환경 소재인 나노셀룰로오스로 플라스틱 분리막을 대체한 리튬-황 종이전지를 개발해 기존의 리튬-황 전지가 가진 단점을 극복하고 상용화 가능성을 열었다.

연구진이 플라스틱 분리막 대신 나노셀루로오스 분리막을 리튬-황 전지에 사용한 결과 황부산물의 발생을 억제해 기존의 리튬-황 전지에 비해 수명을 3배 이상 늘릴 수 있었고 기존의 리튬이온 전지에 배해서도 2배 이상 수명이 향상됐다.

또 리튬-황 종이전지는 자유로운 변형도 가능해 굽힘 반복시험에서 기존의 리튬-황 전지에 비해 유연성이 2.5배 이상 크게 향상됐을 뿐 아니라 심하게 구긴 상태에서도 전지의 성능이 정상적으로 구현됐다.

이같은 장점으로 새롭게 개발된 리튬-황 종이전지는 옷과 같은 웨어러블 형태의 디바이스에도 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 전망된다.


특히 리튬이온 전지에 사용되는 활물질인 코발트의 경우 1톤당 가격이 7천만원에 달하지만 이를 대체하는 황의 경우 1톤당 가격이 200만원 정도로 35분의 1에 불과해 전지의 가격도 크게 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

또 현재 리튬이온전지를 사용하는 전기자동차는 1회 충전으로 서울-부산(400km)을 편도로 갈 수 있지만 차세대 리튬-황 종이전지를 장착할 경우 1회 충전으로 같은 거리를 왕복할 수 있다.

이와함께 현재의 리튬이온전지에 비해 무게는 줄이면서도 용량은 크게 늘릴 수 있어 고용량의 전지를 요구하는 드론이나 무인 비행기 등 첨단산업분야 전반에 활용도가 높아질 것으로 예상된다.

국립산림과학원 이선영 연구관은 "이번 리튬-황 종이전지 개발은 재생가능한 자원인 나무에서 얻을 수 있는 친환경 재료를 전지 원료로 사용하는 기술을 개발한 것"이라고 밝혔다.

공동연구를 수행한 울산과학기술원 이상영 교수는 "기존 소재로는 달성하기 힘든 높은 수준의 성능이 확보된 휘어지는 리튬-황 종이전지를 구현했다는 점에서 큰 의미가 있다"라고 설명했다.

이번 연구는 임산공학과 전지공학의 혁신적인 협업 성과로 평가받고 있으며 연구결과는 에너지 분야의 세계적인 권위지인 '에너지와 환경과학(Energy and Enviromental Science) 온라인 판에 표지논문으로 게재됐다.


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