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[Tech Trend] ‘차세대’ 리튬유황전지 실용화 ‘눈앞’…대형화•충방전 급진전
[Tech Trend] ‘차세대’ 리튬유황전지 실용화 ‘눈앞’…대형화•충방전 급진전
  • 김태훈 기자
  • 승인 2020.03.27 17:19
  • 댓글 0
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리튬이온전지를 능가하는 차세대 전지로 기대되는 ‘리튬유황전지’의 내구성 향상과 대형화에 도움이 되는 개발성과가 잇따라 나와, 그 실용화가 급진전되는 양상이다. 사진=픽사베이
리튬이온전지를 능가하는 차세대 전지로 기대되는 ‘리튬유황전지’의 내구성 향상과 대형화에 도움이 되는 개발성과가 잇따라 나와, 그 실용화가 급진전되는 양상이다. 사진=픽사베이

리튬이온전지를 능가하는 차세대 전지로 기대되는 ‘리튬유황전지’의 내구성 향상과 대형화에 도움이 되는 성과가 잇따라 나오고 있다.

니혼게이자이신문은 간사이(關西)대학을 비롯해 일본 국내외의 연구 기관이 충•방전 횟수를 늘리는 기술을 개발하고, 와세다대학에서는 손바닥 크기까지 대형화하는데 성공했다고 보도했다.

특히 이들 연구팀은 올해 상반기 중 가볍고 출력이 높은 리튬유황전지를 휴대폰이나 드론의 전원으로 실용화하는 목표도 세워 추진해 나간다고 이 신문은 전했다.

기존 리튬이온전지는 스마트폰이나 전기자동차, 재생 가능 에너지의 축전 등에 폭넓게 이용되고 있다. 그러나 양극에 사용하는 코발트 등의 재료가 고가인데다 출력과 용량을 높이는 개량 기술의 개발이 한계에 이르러, 보다 성능 좋은 차세대 전지의 개발이 요구되고 있다.

리튬유황전지는 그 후보 중 하나다. 양극에 유황, 음극에 리튬금속 또는 리튬화합물을 사용한다. 모두 가벼운 원소여서 전지가 가벼워진다. 유황은 가격도 싸다.

양극은 리튬이온전지의 약 10배 되는 전기를 축적한다. 축전지로하면, 단위 중량 당 용량을 나타내는 ‘에너지 밀도’가 리튬이온전지의 4배를 넘는다. 가볍고 고출력이라는 특징으로, 소형의 휴대 단말기나 드론의 전원, 빌딩 옥상 등에 설치하는 정치용 대형 축전지로 적합하다.

리튬유황전지는 연구 단계로 실용화하고 있지 않다. 영국 스타트업 기업이 자동차 제조업체에 샘플 출하하고 있지만, 충•방전 횟수가 적다는 문제가 있다.

간사이대학 연구팀은 양극에 사용하는 유황을 탄소 재료의 미세한 구멍에 넣어 충전과 방전에 의한 유황의 용해를 억제해 용량의 저하를 감소시켰다. 시험제품은 50회 충•방전을 반복해도 용량이 20% 밖에 떨어지지 않았다. 앞으로 1000회 정도로 높여 실용화의 목표가 되는 5년 이상 사용을 실현할 계획이다.

일본 이외의 지역에서도 유망한 결과가 나오고 있다. 호주 모나슈대학 연구팀은 200회 충•방전을 반복해도 용량을 99% 이상 유지하는 리튬유황전지를 만들었다. 양극 재료의 유황 입자 사이에 공간을 만들어 성능 저하(열화)를 억제했다. 다만, 전해액이 많아 지금 상태로는 실용화할 수 없다.

리튬유황전지는 대형화도 난제다. 크게 하면 양극 사이를 이동하는 리튬이온의 움직임이 느려져 제 성능을 발휘하지 못하기 때문이다.

와세다대학 연구팀은 유황을 균등하게 채워 양극 재료를 만드는 기술을 개발해 대형화에 의한 열화를 억제했다. 지금까지 동전 정도의 크기 이상으로 하는 게 어려웠지만, 시트 모양의 전지를 겹쳐 손바닥 크기에서 무게 43그램의 전지를 시험 제작했다. 동일 출력의 리튬이온전지에 비해 무게가 약 4분의 1이다. 시트 모양 전지는 A4 면적 정도의 크기까지 만들 수 있고 용도에 따라 매수와 크기를 변경해 설계할 수도 있다.

일본 정부도 리튬유황전지의 개발을 지원하고 있다. 한 예로, 정부 산하의 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)의 지원 프로그램으로, GS유아사 주도의 전동항공기 연구가 추진되고 있다. 무게가 제한되는 항공기에는 가벼우면서 에너지 밀도가 높은 리튬유황전지가 적합한 것으로 평가된다. 2030년에 실용 수준의 개발을 목표로 하고 있다.

과학기술진흥기구(JST)는 차세대 전지 개발거점을 신설할 계획으로 있으며 2020년 10월에 구체적인 지역 선성에 착수한다.

일본 이외 지역에도 리튬유황전지 연구를 활발하다. 관련 논문의 60% 가까이는 중국이 차지하고, 그 다음은 미국이다. 일본은 7위로 2.8%에 불과하다.


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