산림청 국립산림과학원은 울산과학기술원과 공동으로 나무로부터 얻은 나노셀룰로오스(Nanocellulose)를 이용해 폭발위험성이 현저히 낮고, 사용기간이 3배 이상 향상된 차세대 리튬-황 종이전지의 핵심 원천 기술을 세계 최초로 개발했다고 7일 발표했다.
나노셀룰로오스는 나무에서 추출한 나노 입자(나노 크기의 셀룰로오스 섬유)다.
이번에 개발된 리튬-황 종이전지는 기존 전지에서 열에 약해 폭발 위험성이 문제가 됐던 플라스틱 분리막을 나무 세포를 얇게 쪼갠 차세대 친환경 소재인 나노셀룰로오스로 대체해 고온, 충격 등 분리막 파괴에 의한 폭발위험성을 제거했다.
또 나노셀룰로오스 분리막과 전극을 일체형으로 만드는 혁신적인 구조변경을 통해 눌리거나 구겨지는 조건에서도 정상적으로 작동해 안전성을 높였다.
리튬-황 전지는 기존 리튬이온 전지에 사용되는 코발트를 황으로 대체한 것으로, 에너지 용량이 2배 이상이며, 원료 가격도 1/35로 절감된다.
황을 전극으로 사용해 충전과 방전을 반복하면 황부산물이 생성되는데, 이는 전지의 용량과 수명을 급격히 감소시키는 원인이 된다.
그러나 이번에 개발된 리튬-황 종이전지는 황부산물의 발생을 억제시켜 기존의 리튬-황 전지에 비해 수명이 3배 이상 향상됐다.
리튬-황 종이전지는 형태를 자유롭게 변형할 수 있는데, 굽힘 반복시험에서 기존의 리튬-황 전지 대비 유연성이 2.5배 이상 크게 향상됐을뿐 아니라 심하게 구긴 상태에서도 전지 성능이 정상적으로 구현됐다.
이는 향후 몸에 착용해 사용하는 휴대전화 등 웨어러블 디바이스에도 활용 가능하다.
리튬-황 종이전지는 국립산림과학원 신소재연구팀과 울산과학기술원 이상영 교수 연구팀이 공동으로 개발한 국내 원천기술로 임산공학과 전지공학의 혁신적인 협업 성과로 평가 받고 있다.
연구결과는 이미 국내 특허가 출원됐으며, 현재는 해외 특허출원을 준비 중이다.
관련 논문은 에너지 분야의 세계적 권위지인 '에너지와 환경과학' 온라인판에 게재됐으며 연구결과의 중요성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.
국립산림과학원 이선영 연구관은 "이번 연구는 재생가능한 자원인 나무에서 얻을 수 있는 친환경 재료로 전지 원료를 얻은 것에 의미가 있다"며 "가볍지만 높은 에너지 용량을 가진 리튬-황 종이전지의 활용범위가 넓어 앞으로 우리생활에 크게 기여할 것으로 전망된다"고 말했다.
현재 리튬이온전지를 사용하는 전기자동차는 1회 충전으로 서울-부산(400km)을 편도로 갈 수 있지만, 차세대 리튬-황 종이전지가 장착된 전기자동차는 1회 충전만으로 동일 거리를 왕복할 수 있다.
스마트폰, 디지털 카메라 등과 같은 휴대용 전자제품에 사용될 경우 형태 변형이나 고온에 의한 폭발 위험성이 낮아져 국민안전에도 크게 기여할 수 있다고 산림과학원 측은 설명했다.
이창재 산림청 국립산림과학원장은 "기존의 리튬이온전지에 비해 무게가 크게 절감돼 가벼우면서도 고용량 전지를 요구하는 드론과 같은 첨단산업분야 전반에 상당한 파급효과를 가져올 것으로 예상된다"고 강조했다.
대전=임호범 기자 lhb@hankyung.com
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