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"상용화되면 전기차 주행거리 연장, 드론·UAM에 활용 기대"
[포스텍 제공. 재판매 및 DB 금지]
(포항=연합뉴스) 이승형 기자 = 포스텍(POSTECH)은 '리튬-황 전지'의 수명을 깎아 먹는 문제들을 한꺼번에 줄이는 음극 보호막을 개발했다고 5일 밝혔다.
이 연구는 포스텍 배터리공학과·신소재공학과 이상민 교수, 신소재공학과 한대훈 석사, 배터리공학과 석사과정 장혜림 씨 연구팀과 한국전기연구원 박준우 책임연구원이 함께 수행했다.
리튬-황 전지는 양극에 황(S)을, 음극에 리튬(Li) 금속을 쓴다. 황은 값싸고 가벼워서 지금의 리튬이온전지보다 더 많은 에너지를 담을 수 있다.
문제는 충전과 방전을 하는 동안 생기는 황 화합물 '폴리설파이드(LiPSs)'다. 이 물질은 전해액에 녹아 양극과 음극 사이를 오가는데, 이를 '셔틀 효과(Shuttle Effect)'라 부른다. 제자리를 지켜야 할 황이 배터리 안을 떠도는 셈이다.
그사이 배터리 재료와 전해액은 조금씩 닳는다. 리튬 음극 표면은 스펀지처럼 구멍이 숭숭 뚫리고, 배터리 수명은 급격히 줄어든다. 에너지를 더 담으려고 전해액을 줄이면 버틸 여유마저 사라져 피해는 더 커진다.
연구팀은 스스로 전기장을 만드는 물질인 '강유전체'에 주목했다. 먼저 강유전체 고분자인 β-PVDF로 리튬 음극 위에 보호막을 씌웠다. 이어 높은 전압을 거는 코로나 폴링(corona poling) 공정으로 막 속의 작은 전기 극(쌍극자)들을 빗질하듯 한 방향으로 가지런히 세웠다. 여기에 불소를 입힌 질화붕소(FBN)를 더해 이 정렬이 쉽게 흐트러지지 않도록 했다.
이렇게 생긴 전기장은 리튬 이온에는 등을 밀어주는 순풍이 되고, 폴리설파이드에는 앞을 막아서는 맞바람이 된다. 게다가 β-PVDF는 폴리설파이드와 잘 달라붙지 않아서 오래 써도 보호막 성능이 떨어지지 않는다.
그 결과 완전셀은 500번 넘게 충전과 방전을 반복한 뒤에도 처음 용량의 80.4%를 유지했다. 실제 제품과 비슷한 형태인 파우치셀에서도 시험한 결과 이 보호막이 실험실을 넘어 실제 제품에 가까운 조건에서도 통한다는 것을 확인했다.
리튬-황 전지가 상용화되면 전기차 주행거리를 늘릴 수 있다. 무게가 곧 비행시간인 드론과 도심항공교통(UAM)에도 쓰일 수 있다.
연구를 이끈 이상민 교수는 "적은 전해액과 높은 황 함량의 파우치셀 조건에서도 효과를 확인해 리튬-황 전지 실용화에 의미 있는 방향을 제시했다"고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 글로벌TOP 전략연구단 지원사업, 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
haru@yna.co.kr
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