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정현영 교수팀, 불에 타지 않는 고성능 리튬-황 전지 개발

  • 부서명대외협력과
  • 등록일 2022.01.13
  • 조회수 70



정현영 교수팀, 불에 타지 않는 고성능 리튬-황 전지 개발

• 바이오 물질 바인더 적용…전기차·드론 배터리의 화재 위험 해소 기대 

• ‘K-배터리 발전 전략’…2025년까지 상용화 목표



경상국립대학교(GNU·총장 권순기) 융합기술공과대학 에너지공학과 정현영 교수팀이 바이오 고분자 바인더를 적용하여 불에 타지 않는 고성능 리튬-황 전지를 개발했다. 


리튬-황 전지는 정부의 ‘K-배터리 발전 전략’에 따른 차세대 이차전지 1등 기술력 확보를 위한 중요 전략 가운데 하나로, 2025년까지 상용화하는 것을 목표로 민관의 역량을 총집결하는 연구개발(R&D) 핵심 분야이다. 


자연계에 풍부하게 존재하는 유황을 전극으로 사용하는 황 전지는 저렴한 가격과 높은 이론 에너지밀도라는 장점 덕분에 앞으로 글로벌 이차전지 시장을 선점하기 위해서 반드시 조기 상용화할 필요가 있다. 그러나 리튬-황 전지는 황의 낮은 전기전도성, 충전·방전 시 황의 부피 팽창과 폴리설파이드의 용출이 문제가 되어 시장 확대에 어려움을 겪고 있다.


바인더는 전극을 이루는 활물질과 도전재를 집전체에 결합시켜 전극을 안정화하는 역할을 한다. 현재 리튬-황 전지의 바인더는 리튬-이온 전지에서 상용화되고 있는 폴리비닐 불소화합물(PVDF)을 주로 사용하고 있으나, 작동 메커니즘이 서로 다른 유황전지에는 적합하지 않다. 


이에 연구팀은 바이오 고분자인 트래거캔스(Tragacanth)를 바인더로 개발하여 유황전극이 갖는 문제점을 해결하였다.


정현영 교수팀이 개발한 바이오 바인더는 리튬-황 전지가 갖는 폴리설파이드 용출 및 충전·방전 시의 부피 팽창 문제를 극복하고 동시에 배터리가 가질 수 있는 화재 위험성을 차단함으로써 성능과 안전성이라는 두 마리 토끼를 한 번에 잡은 우수한 연구로 평가받고 있다.


연구팀은 3000종 이상의 트래거캔스 가운데 유황전극에 적합한 바이오소재를 양자계산을 통해 이론적으로 입증하고, 리튬-황 전지에 적용하여 1239mAh/g의 높은 용량을 구현했다. 이는 리튬-이온 전지와 상용화된 바인더를 적용한 리튬-황 전지보다 약 5배 향상된 값이며, 또한 수명은 1000회 동안 안정적인 성능을 나타냈다. 


특히 개발된 전극은 180도 구부려도 작동되며 불에서도 타지 않는 특성을 보여 극한의 상황에서 작동 가능한 획기적인 연구 결과로 평가받는다.


제1저자인 첸라얀 센틸(Chenrayan Senthil) 박사는 “황 전극에 적합한 새로운 바인더를 개발하여 리튬-황 전지의 문제점을 해결하려고 노력하였으며 이번 연구가 리튬-황 전지의 상용화에 중요한 첫걸음이 되었으면 한다.”라고 이번 연구의 의미를 말했다.


교신저자인 정현영 교수는 “이차전지의 선도기술을 확보하기 위한 경쟁이 가속화하고 있는 시점에서 이번에 개발한 기술이 전기자동차, 드론 등의 고성능 첨단기기에 적용 가능한 차세대 리튬-황 전지 연구로 이어지는 이정표가 되기를 바란다.”라고 기대했다. 


이번 연구는 최상위 국제 학술지 ≪네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)≫(IF=14.919) 최신호에 ‘바이오 고분자 바인더를 이용한 불타지 않는 고성능 리튬-황 전지(Flame retardant high-power Li-S flexible batteries enabled by bio-macromolecular binder integrating conformal fractions)’라는 제목으로 게재되었다.


이번 연구는 과학기술정보통신부/한국연구재단의 기초연구실 지원사업과, 교육부/한국연구재단의 지역대학우수과학자 지원사업 후속연구의 지원을 받아 수행했다.


⊙ 사진 설명: 정현영 교수 연구팀(체라얀 센틸 박사, 정현영 교수, 김선식 석사(왼쪽부터)).

             연구팀이 개발한 리튬-황 전지의 작동원리와 불에 타지 않는 전극 개념도.

⊙ 내용 문의: 융합기술공과대학 에너지공학과 정현영 교수 055-772-3883

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