차세대 이동수단으로 개발 중인 도심항공모빌리티(UAM)는 리튬이온전지보다 무게 당 에너지밀도가 높은 리튬황전지를 적용하는 것이 관건이다.
리튬황전지는 이론상 높은 에너지밀도(1672㎃h/g)를 가져 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 이는 리튬황전지가 리튬이온전지보다 무게 당 에너지밀도를 2배 이상 갖는 것으로, UAM 시장의 게임체인저가 될 수 있다.
그러나 현재 리튬황전지 기술은 배터리의 안정적 구동을 위해 많은 양의 전해액을 필요로 해 무게가 증가, 결과적으로 에너지밀도가 감소하게 된다. 또 전해액 사용량이 줄어드는 희박 전해액 환경에서 성능열화가 가속화되지만 이에 대한 원인이 아직 명확히 밝혀지지 않은 상태다.
리튬이온전지보다 우수한 리튬황전지
KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수팀이LG에너지솔루션과 공동연구로 차세대 혁신 리튬황전지를 개발했다.
공동연구팀은 전해액 사용량이 줄어든 환경에서 리튬황전지 성능 저하 원인을 규명하고, 이를 바탕으로 성능을 혁신적으로 개선할 수 있는 기술을 제시했다.
이를 통해 연구팀은 전해액 사용량을 기존 대비 60% 이상 줄이고도 400Wh/㎏ 이상의 에너지밀도를 구현하는 리튬황전지를 개발했다. 이는 현용 리튬이온전지보다 60% 이상 높은 에너지밀도를 갖는다.
연구팀은 다양한 전해액 환경에서 실험한 결과 리튬황전지의 성능저하 원인이 전극 부식으로 인한 전해액 고갈임을 규명냈다.
또 이를 해결하기 위해 불소화에테르 용매를 도입, 리튬금속 음극의 안정성과 가역성을 높이고 전해액 분해를 줄이는 데 성공했다.
KAIST와 LG에너지솔루션은 이번 연구를 바탕으로 차세대 모빌리티용 배터리 기술협력을 강화, 새로운 배터리 시장을 선도할 계획이다.
김 교수는 “이번 연구는 리튬황전지에서 전해액 설계를 통한 전극 계면 제어의 중요성을 밝힌 연구로, 대학과 기업의 협력으로 이룬 성공 사례”라며 “UAM과 같은 차세대 모빌리티 배터리 상용화를 앞당기는 데 큰 진전을 이룰 것”이라고 설명했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 김일주 박사과정이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈’에 게재됐다. (논문명: Moderately Solvating Electrolyte with Fluorinated Cosolvents for Lean-Electrolyte Li-S Batteries)
