그러나 충·방전 과정에서 리튬과 황이 만나 '리튬 폴리설파이드(Lithium Polysulfides)'가 되는데, 중간 생성물인 이 리튬 폴리설파이드는 전해액에 대한 높은 용해도로 인해 '용출 현상(polysulfide shuttle)'이 나타나게 된다.

그로 인하여 양극 활물질이 손실되고 황이 전해질에 녹아 결국에는 황의 양이 감소한다. 차세대 배터리 대표주자인 리튬황배터리의 가장 큰 난제인 셈이다.

한국전기연구원(원장 명성호)은 차세대전지연구센터 박준우 박사팀이 '저비용 플렉시블 고에너지밀도 리튬황배터리'를 개발했다고 11일 밝혔다.
 

뿐만 아니라 흡착력이 높은 인(P)을 탄소재에 도핑하여 화학적인 캡쳐링도 유도했다. 이러한 물리적·화학적 이중 캡쳐링을 통해 리튬 폴리설파이드에 따른 리튬황배터리의 성능 저하를 막을 수 있었다.

연구팀은 리튬황배터리의 플렉시블(flexible) 기능을 강화해 활용도를 높이는데도 성공했다. 황 양극(+)에 전기 전도성이 높고 강도가 세고 유연한 탄소나노튜브(CNT) 소재를 사용하여 무게 비중을 많이 차지하는 집전체를 제거(에너지 밀도 향상)했다. 아울러 굽히거나 휘어질 수 있는 내구성까지 확보했다.

이러한 과정들을 기반으로 전기연은 세계최고 수준의 에너지 밀도 400Wh/kg 리튬황배터리를 개발하는데 성공했다. 높은 에너지 밀도·수명성·내구성 강점까지 결합되어 상용화가 가능하다는 의견이다. 특히 항공우주·플라잉카·드론 등 미래형 항공 모빌리티 배터리 분야에 크게 활용될 전망이다.

연구 개발자인 박준우 전기연 박사는 "이번 성과를 기존 연구원이 개발해 보유하고 있던 '고체 전해질 저가 대량 합성 기술'과 융합하여 차세대 리튬황전고체배터리 원천기술까지 확보할 수 있도록 노력하겠다"고 전했다.

한편 이번 연구결과는 우수성을 인정받아 독일 와일리(Wiley) 출판사의 재료분야 세계적 학술지인 ‘스몰(Small, JCR 상위 8.33%, IF=13.281)’의 표지논문으로 선정됐다. 이번 연구는 전기연 주요사업 및 부경대학교 기초연구실사업의 지원으로 진행됐다.