경상국립대, 차세대 이차전지 선도할 고성능 리튬-황 전지 개발 외

바이오 물질 바인더 적용…전기차·드론 배터리의 화재 위험 해소 기대

정현영 교수 연구팀(체라얀 센틸 박사, 정현영 교수, 김선식 석사(왼쪽부터). 연구팀이 개발한 리튬-황 전지의 작동원리와 불에 타지 않는 전극 개념도.(아래)[사진=경상국립대학교]

경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 정현영 교수팀이 바이오 고분자 바인더를 적용해 180도 구부려도 작동되며 불에서도 타지 않는 특성을 보여 극한의 상황에서 작동 가능한  고성능 리튬-황 전지를 개발했다고 11일 밝혔다. 

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 돼 시장 확대에 어려움을 겪고 있다.

리튬 이차전지에 사용되는 고분자 소재인 바인더는 전극을 물리적으로 안정화하기 위해서는 필수적인 중요한 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 경상국립대학교 에너지공학과 연구팀은  과학기술정보통신부 한국연구재단의 기초연구실 지원사업과, 교육부 한국연구재단의 지역대학우수과학자 지원사업 후속연구의 지원을 받아 수행했으며, 바이오 고분자인 트래거캔스(Tragacanth)를 바인더로 개발해 유황전극이 갖는 문제점을 해결했다.

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 적용해 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. 

교신 저자인 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 게재됐다.

◆ 경상국립대, 항공우주 · 방위산업 '선도적' 역할 협의체 구성

경상국립대학교(GNU), 한국항공우주산업(KAI), 창원대학교, 국방기술품질원, 한국산업기술시험원(KTL), 한국세라믹기술원, 사천시, 진주시는 1월 11일 오전 10시 진주시 충무공동 한국세라믹기술원 대강당에서 ‘서부경남 항공우주 및 방위산업의 전략적 협력을 위한 업무협약’을 체결했다.[사진=경상국립대학교]

경상국립대학교는 11일 오전 진주시 충무공 한국세라믹기술원 대강당에서 지역의 항공우주 및 방위산업을 육성하고 발전시키기 위한 전략적 협력방안을 내용으로 한국항공우주산업(KAI), 창원대학교, 국방기술품질원, 한국산업기술시험원(KTL), 한국세라믹기술원, 사천시, 진주시와 협약을 체결했다.

서부경남 지역의 항공우주 및 방위산업 관련 유기적인 협의체가 필요하다는 인식에 따라 산업체, 지역대학, 공공기관, 지자체가 함께 마련한 이번 협약식에는 각 기관의 대표로 안현호 KAI 사장, 권순기 경상국립대 총장, 이수현 창원대 연구산학부총장, 허건영 기품원 원장, 김세종 KTL 원장, 정연길 세기원 원장, 홍민희 사천시장 권한대행 부시장, 조규일 진주시장이 참석했다.

연구기관과 대학은 기관·대학 간에 긴밀하게 협력해 항공우주 및 방위산업 선도 프로젝트를 추진하고, 참여 기관들은 항공우주 및 방위산업의 활성화를 위한 신규 사업 발굴에 적극 나서기로 했다. 

지자체는 항공우주 및 방위산업의 혁신을 위한 정책을 발굴하고 연구기관·기업 간에 원활하게 소통해 상호 협력하도록 지원키로 했다. 

기업은 항공우주 및 방위산업의 선도적 역할을 수행하며, 연구기관과  협력해 나가게 된다. 

참여 기관들은 기관장을 중심으로 ‘서부경남 항공우주 방위산업 협의체(가칭)’를 구성해 정기적으로 운영하도록 추진할 예정이다. 협의체는 각 기관장이 협의체의 위원이 되어 기관별 기술·정책 전문가를 선발한다. 선발된 인원으로 ‘실무위원회’를 구성해 신규 사업 기획, 기존 사업 고도화, 정책지원 과제 도출, 세제·법률 개선안 발의 등의 활동을 수행할 계획이다.