리튬-황 전지는 높은 에너지 밀도라는 강점을 갖고 있지만, 수명 저하라는 큰 장벽 때문에 상용화에 어려움을 겪어왔습니다. 포스텍 연구진이 이 문제의 핵심 원인인 ‘셔틀 효과’를 억제하면서 리튬 이온의 이동은 원활하게 하는 음극 보호 기술을 개발했습니다. 실험 결과 보호막을 적용한 전지는 500회 이상의 충·방전 뒤에도 초기 용량의 80.4%를 유지했습니다.
포스텍은 배터리공학과·신소재공학과 이상민 교수 연구팀이 한국전기연구원과 공동으로 리튬 금속 음극을 보호하는 새로운 소재를 개발했다고 5일 밝혔습니다. 연구에는 신소재공학과 한대훈 석사와 배터리공학과 석사과정 장혜림 씨 등이 참여했습니다. 이번 결과는 단순한 소재 성능 확인을 넘어, 실험실 수준의 완전셀과 실제 제품에 가까운 파우치셀에서 모두 확인됐다는 점에 의미가 있습니다.
💎 리튬-황 전지의 강점과 약점
리튬-황 전지는 양극에 황, 음극에 리튬 금속을 사용하는 차세대 배터리입니다. 황은 가격이 저렴하고 가벼우며 높은 에너지 저장 용량을 갖고 있어 기존 리튬이온전지보다 에너지 밀도를 높일 가능성이 있습니다. 전기차의 주행거리 확대뿐 아니라 무게와 에너지 효율이 중요한 드론, 도심항공교통(UAM) 분야에서도 활용 가치가 거론되는 이유입니다.
그러나 충·방전 과정에서 생성되는 폴리설파이드(LiPSs)가 전해액에 녹아 양극과 음극 사이를 이동하는 현상이 발목을 잡습니다. 이른바 셔틀 효과가 발생하면 활성 황 물질이 손실되고 전해액이 소모되며, 리튬 금속 음극 표면까지 손상됩니다. 배터리를 반복 사용할수록 용량과 수명이 줄어드는 구조이기 때문에, 에너지 밀도가 아무리 높아도 실제 제품으로 이어지기 어려웠습니다.
💡 전기장으로 물질 이동을 제어
연구팀은 전기장을 스스로 형성하는 강유전체 소재를 해법으로 제시했습니다. 강유전체 고분자인 β-PVDF를 리튬 금속 음극 표면에 코팅한 뒤 코로나 폴링(corona poling) 공정을 적용해 소재 내부의 전기 쌍극자를 한 방향으로 정렬했습니다. 여기에 불소화 질화붕소(FBN)를 첨가해 정렬된 전기 쌍극자가 안정적으로 유지되도록 설계했습니다.
이 보호막의 작동 방식은 배터리 내부의 이동 경로를 선택적으로 조정하는 데 있습니다. 리튬 이온의 이동은 촉진하지만, 음극으로 이동해 손상을 일으키는 폴리설파이드는 밀어내는 방식입니다. 연구팀 설명에 따르면 β-PVDF는 폴리설파이드와 상호작용이 적어 장기간 사용하더라도 보호막 기능을 유지하는 데 유리합니다. 물질을 무조건 차단하는 것이 아니라 필요한 이온과 문제를 일으키는 화합물을 구분한다는 점이 핵심입니다.
📊 500회 뒤 용량 80.4% 유지
보호막을 적용한 리튬-황 전지는 500회 이상의 충·방전 이후에도 초기 용량의 80.4%를 유지했습니다. 특히 전해액 사용량을 줄이고 황 함량을 높인 조건에서도 보호 효과가 확인됐습니다. 이는 실제 배터리 설계에서 중요한 대목입니다. 전해액을 많이 사용하면 성능 평가에는 유리할 수 있지만 배터리의 무게와 부피가 커질 수 있기 때문에, 적은 전해액과 높은 황 함량에서 작동했다는 결과가 기술의 현실성을 판단하는 기준이 될 수 있습니다.
이상민 교수는
“적은 전해액과 높은 황 함량의 파우치셀 조건에서도 효과를 확인했다”
“We confirmed the effect even under pouch-cell conditions with a small amount of electrolyte and high sulfur content.”
적은 전해액과 높은 황 함량을 적용한 파우치셀 조건에서도 효과를 확인했다는 의미입니다.
🔎 상용화 판단의 다음 조건
이번 연구는 리튬-황 전지의 수명 저하 원인을 소재의 전기적 특성으로 제어했다는 점에서 기술적 의미가 있습니다. 500회 이상의 충·방전과 파우치셀 검증은 긍정적인 지표지만, 연구실 결과가 곧바로 대량생산과 제품 적용을 의미하지는 않습니다. 실제 산업 적용을 위해서는 보호막의 제조 공정이 대면적 전극에서도 균일하게 구현되는지, 반복 생산에서 성능 편차가 작은지, 추가 소재와 공정이 배터리 원가 및 에너지 밀도에 어떤 영향을 미치는지 확인해야 합니다.
또한 리튬-황 전지는 음극 보호막 외에도 황 전극의 전도성, 충·방전 효율, 전해액 관리 등 여러 과제를 함께 해결해야 합니다. 이번 연구는 이 가운데 수명 저하를 일으키는 셔틀 효과를 겨냥한 해법입니다. 따라서 핵심 성과는 ‘리튬-황 전지의 모든 문제가 해결됐다’는 데 있지 않고, 상용화를 가로막는 복합적인 장애물 중 하나를 구체적인 소재 설계로 낮췄다는 데 있습니다.
포스텍 연구팀은 이번 결과가 리튬-황 전지의 실용화에 의미 있는 방향을 제시한다고 설명했습니다. 배터리 산업에서 에너지 밀도와 수명은 서로 맞바꾸는 관계처럼 여겨져 왔지만, 이번 기술은 전기장을 이용해 두 요소를 동시에 개선하려는 접근입니다. 앞으로 파우치셀의 장기 운용과 제조 확장성까지 검증된다면, 리튬-황 전지가 전기차뿐 아니라 드론과 UAM 같은 경량·고효율 분야에서 실제 선택지로 자리 잡을 수 있을지 주목됩니다.
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