한국기술교육대학교(KOREATECH, 총장 직무대행 오성철, 이하 ‘코리아텍’)의 정용주 교수(에너지·신소재·화학공학부)가 전자부품연구원 차세대전지센터(박민식 박사), 부산대(김석 교수)와 공동으로 지난 40여 년 간 미제로 남아있던 리튬-설퍼(Li-S) 전지의 작동원리를 규명하는 쾌거를 거두어 주목된다.

리튬-설퍼 전지는 설퍼(유황)을 양극소재로, 리튬 금속을 음극소재로 사용하는 것으로서 가격이 저렴하고 이론 용량과 에너지밀도가 높다는 점에서, 현재 상용화되어 있는 리튬이온 전지를 대체할 전지로 전 세계적인 주목을 받아 왔다.

예를 들면 전기자동차에 고용량 리튬-설퍼 전지를 탑재한다면 현재 핸드폰에 사용되고 있는 리튬이온전지 대비 2~3배 이상의 항속거리를 확보할 수 있게 된다. 가격 또한 매우 저렴하고 친환경적인 것도 특징이다.

공동연구팀은 리튬-설퍼전지 방전 및 충전 메커니즘에 대한 두 편의 논문을 100년이 넘는 전통을 가진 전지분야 세계적 학술지인 미국전기화학회지(Journal of the Electrochemical Society) 인터넷판 10월호에 발표했다.

그간 학계에서는 리튬-설퍼 전지는 고체 설퍼 입자가 직접 전자를 받아 방전반응이 시작되고, 설퍼(S8)가 방전되면서 생성되는 고체 Li2S 입자가 직접 전자를 받아 충전반응이 진행된다는 것이 정설이었다. 이러한 인식 하에 수많은 과학자들이 설퍼나 Li2S를 탄소 내에 주입하거나 복합화하여 전기전도를 높이는 방향으로 연구 역량을 집중해 왔다.

공동연구팀은 “하지만 이번에 리튬-설퍼 전지의 방전 및 충전 메커니즘에 대한 학계의 오류를 발견하고 새로운 반응 메커니즘을 제시한 것”이라고 밝혔다.

공동연구팀은 양극과 전기적으로 분리된 고체 설퍼와 Li2S 입자도 반응에 참여할 수 있다는 것을 보임으로써 전하전달이 고체/고체 계면이 아닌 고체/액체 계면에서 일어난다는 것을 밝히고, 이를 바탕으로 리튬-설퍼 전지 반응 메커니즘을 정립하고, 고용량 설퍼 전지 연구개발 방향과 전략을 새롭게 제시한 것이다.

책임연구자인 정 교수는 “전지의 작동원리는 연구개발 수립단계에서 나침반과 같은 역할을 해서 매우 중요하고, 고성능 전지개발을 위해선 메커니즘에 대한 정확한 이해가 무엇보다 선행되어야 한다”면서 “공동연구팀은 새로운 메커니즘을 적용하여 기존 리튬-설퍼전지의 부피 에너지밀도를 최소 50% 이상 향상시킬 수 있었다”고 밝혔다.

그는 “이번 연구결과는 리튬-설퍼전지 연구개발 분야의 중대 전환점이 될 것이며 최적화 과정을 거친다면 고용량 리튬-설퍼 전지 기술의 전기를 마련, 부피 에너지밀도를 크게 향상시킬 수 있을 것”이라며 “고용량 리튬-설퍼 전지가 휴대용 전자제품뿐 아니라 전기자동차, 에너지 저장시스템(energy storage system) 등에 실제 적용되어 활용된다면 실생활 및 산업체 전반에 큰 변화를 가져오게 될 것”이라고 강조했다.