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폭발 위험 없이 오래 쓰는 차세대 종이 전지 핵심기술 개발

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국립산림과학원이 개발한 차세대 리튬-황 종이전지 ⓒ 국립산림과학원 제공

국립산림과학원이 개발한 차세대 리튬-황 종이전지 ⓒ 국립산림과학원 제공

산림청 국립산림과학원은 울산과학기술원과 공동으로 나무에서 얻은 나노 셀룰로스를 이용해 폭발 위험성이 낮고 사용 기간이 3배 이상 향상된 차세대 ‘리튬-황 종이 전지’ 핵심 원천기술을 세계 최초로 개발했다고 7일 밝혔다.

이번에 개발된 리튬-황 종이 전지는 기존 전지에서 열에 약해 폭발 위험성이 문제가 된 플라스틱 분리막을, 나무 세포를 얇게 쪼갠 차세대 친환경 소재인 나노 셀룰로스로 대체해 고온과 충격 등 분리막 파괴에 의한 폭발 위험성을 제거했다.

나노 셀룰로스 분리막과 전극을 일체형으로 만드는 혁신적인 구조변경으로 눌리거나 구겨지는 조건에서도 정상적으로 작동해 안전성을 높였다.

리튬-황 전지는 기존 리튬이온 전지에 사용되는 코발트를 황으로 대체한 것으로 에너지 용량이 2배 이상이며, 원료 가격도 35분의 1로 절약된다.

황을 전극으로 사용해 충전과 방전을 반복하면 황 부산물이 생성되는데, 이는 전지의 용량과 수명을 급격히 감소시키는 원인이 된다.

이번에 개발된 리튬-황 종이 전지는 황 부산물 발생을 억제해 기존 리튬-황 전지보다 수명이 3배 이상 향상됐다.

리튬-황 종이 전지는 형태를 자유롭게 변형할 수 있는데, 굽힘 반복시험에서 기존의 리튬-황 전지보다 유연성이 2.5배 이상 향상됐으며, 심하게 구긴 상태에서도 성능이 정상적으로 구현됐다.

앞으로 몸에 착용해 사용하는 휴대전화 등 웨어러블 디바이스에도 활용할 수 있다.

리튬-황 종이 전지는 국립산림과학원 신소재연구팀과 울산과학기술원 이상영 교수 연구팀이 공동으로 개발한 국내 원천기술로 임산공학과 전지공학의 혁신적인 협업 성과로 평가받는다.

연구결과는 이미 국내 특허가 출원됐으며, 현재 해외 특허출원을 준비 중이다.

관련 논문은 에너지 분야 권위지 ‘에너지와 환경과학’ 온라인판에 게재됐으며 표지논문으로도 선정됐다.

일반 리튬-황 전지와 리튬-황 종이전지 비교 ⓒ 국립산림과학원 제공

일반 리튬-황 전지와 리튬-황 종이전지 비교 ⓒ 국립산림과학원 제공

이선영 국립산림과학원 연구관은 “재생 가능한 자원인 나무에서 얻을 수 있는 친환경 재료로 전지 원료를 얻은 것”이라고 말했다.

이상영 울산과학기술원 교수는 “기존 소재로는 달성하기 힘든 높은 수준의 성능이 확보된 휘어지는 리튬-황 종이 전지를 구현했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 밝혔다.

현재 리튬이온 전지를 사용하는 전기자동차는 1회 충전으로 서울-부산(400㎞)을 편도로 갈 수 있지만, 차세대 리튬-황 종이 전지가 장착된 전기차는 1회 충전만으로 같은 거리를 왕복할 수 있다.

스마트폰, 디지털카메라 등 휴대용 전자제품에 사용되면 형태 변형이나 고온에 의한 폭발 위험성이 낮아져 국민안전에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

기존 리튬이온 전지보다 무게가 크게 줄어, 가벼우면서 고용량 전지가 필요한 드론 등 첨단산업 분야 전반에 상당한 파급효과를 가져올 것으로 예상한다.

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