발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 현재 사용되는 이차전지의 양극 소재는 코발트, 니켈, 망간 기반 산화물로, 가격이 비싸고 이론 용량이 제한되어 에너지 밀도 향상에 한계가 있습니다.

• 차세대 양극 소재로 주목받는 황(Sulfur)은 높은 이론용량(1675 mAh/g)과 저렴한 가격의 장점이 있지만, 반응 중간 생성물인 리튬 폴리설파이드(Lithium Polysulfide)가 전해액에 녹아 활물질이 손실되는 '셔틀 현상'이라는 고질적인 문제를 안고 있습니다.

기술의 필요성

• 기존 리튬이온전지의 한계를 극복하고 더 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 차세대 이차전지 기술 개발이 시급합니다.

• 리튬 황 전지의 상용화를 위해서는 리튬 폴리설파이드의 용해 및 이동을 효과적으로 억제하여 전지의 수명과 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 해법이 필요합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 기존 고분자 분리막 위에 금속 황화물(MoS2) 층을 얇고 균일하게 형성하는 새로운 구조의 분리막을 제안합니다.

• 금속 황화물 층은 기계적인 러빙(Rubbing) 공정을 통해 간단하게 형성되며, 리튬 폴리설파이드가 음극으로 이동하는 것을 물리적으로 차단하는 역할을 합니다.

• 또한, 금속 황화물 층은 폴리설파이드의 전환 반응을 촉진하는 촉매로 작용하여 전지의 율속 특성과 전반적인 효율을 향상시킵니다.

구체적인 구현 방법

1. 1단계 (거친 러빙): 벌크 MoS2 파우더를 샌드페이퍼와 PTFE 필름 사이에서 러빙하여 더 작은 크기의 MoS2 입자를 준비합니다.

2. 2단계 (분리막 러빙): 작아진 MoS2 입자를 고분자 분리막(PP) 위에 옮긴 후 라텍스를 이용하여 러빙함으로써, 약 150nm 두께의 균일한 MoS2 층을 형성합니다.

3. 3단계 (세척 및 건조): 완성된 분리막을 압축 공기, 탈이온수, 에탄올로 세척하고 건조하여 최종 MoS2 분리막을 얻습니다.

기술의 장점

• 활물질 손실 방지: 얇지만 조밀한 MoS2 층이 양극의 폴리설파이드가 용출되어 손실되는 것을 효과적으로 방지하여 전지 수명을 향상시킵니다.

• 율속 특성 향상: MoS2의 촉매 효과로 폴리설파이드 전환 반응이 촉진되어, 높은 전류밀도에서도 우수한 충·방전 성능을 유지합니다.

• 간단한 공정: 복잡한 화학적 증착 방식이 아닌, 간단한 기계적 러빙 공정만으로 기능성 층을 형성할 수 있어 대량 생산에 유리합니다.

• 우수한 기계적 안정성: 형성된 MoS2 층은 분리막에 강하게 결합되어 접힘 등 기계적 변형에도 안정적인 구조를 유지합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구의 실험은 새롭게 개발된 MoS2 분리막이 실제 리튬 황 전지 시스템에 적용되었을 때, 기존 분리막(Bare separator) 대비 성능 향상에 미치는 효과를 정량적으로 검증하는 것을 목표로 하였습니다.

실험 방법 및 과정

1. 양극 제조: 황-탄소 복합체, 탄소도전재, 바인더를 혼합하여 슬러리를 만든 후 알루미늄 포일에 도포하고 건조하여 양극을 제작합니다.

2. 코인 셀 조립: 제작된 양극, MoS2 분리막, 리튬 음극, 그리고 전해액을 사용하여 아르곤(Ar) 가스 환경의 글로브 박스 안에서 코인 셀을 조립합니다.

3. 성능 평가: 조립된 코인 셀을 이용하여 사이클 수명 테스트, 율속 성능 테스트 등 전기화학적 특성을 평가하고 기존 분리막을 사용한 셀과 비교 분석합니다.

실험 결과

주요 성능 평가 결과, MoS2 분리막을 적용한 전지는 사이클 수명 측면에서 기존 분리막 대비 월등한 용량 유지율을 보였습니다.

실험 결과에 따르면, MoS2 분리막을 사용한 전지는 초기 용량의 84.4%를 유지한 반면, 기존 분리막은 67.6%에 그쳤습니다. 이는 MoS2 층이 폴리설파이드의 셔틀 현상을 효과적으로 억제하여 활물질 손실을 최소화했음을 명확히 입증하는 결과입니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 고에너지 밀도 전기차(EV): 기존 리튬이온전지보다 가벼우면서도 긴 주행거리를 제공하는 차세대 전기차 배터리에 적용 가능합니다.

• 항공우주 분야: 무게가 매우 중요한 드론, 도심항공교통(UAM), 고고도 무인기(UAV) 등의 동력원으로 활용될 수 있습니다.

• 에너지 저장 장치(ESS): 높은 용량을 바탕으로 신재생에너지 발전에 따른 잉여 전력을 효율적으로 저장하는 대용량 ESS 구축에 기여할 수 있습니다.

기대효과

• 성능 향상: 리튬 황 전지의 고질적인 문제인 수명 저하를 해결하여 사이클 수명과 충·방전 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다.

• 원가 절감: 고가의 코발트, 니켈을 사용하지 않고 저렴한 황을 주원료로 하며, 제조 공정이 간단하여 고성능 배터리의 생산 단가를 낮출 수 있습니다.

• 차세대 전지 상용화 촉진: 리튬 황 전지의 핵심 기술 난제를 해결함으로써, 에너지 밀도의 한계에 부딪힌 기존 이차전지 시장의 판도를 바꾸고 차세대 전지 상용화를 앞당길 것으로 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

리튬 황 전지 시장은 높은 성장 잠재력을 바탕으로 빠르게 확장될 전망입니다. 2023년 3,197만 달러였던 세계 시장 규모는 연평균 성장률(CAGR) 45.6%로 성장하여 2028년에는 2억 915만 달러에 이를 것으로 예측됩니다. (출처)

• 국내 시장 역시 연평균 46.9%의 높은 성장률을 보이며 2028년에는 1,096만 달러 규모에 도달할 것으로 전망됩니다.

• 주요 응용 분야는 경량화가 필수적인 항공 우주 분야(2028년 1억 4,923만 달러 예상)가 시장을 주도하고, 자동차 및 운송 분야가 그 뒤를 이을 것입니다.

주요 플레이어 및 경쟁 환경

리튬 황 전지 시장은 아직 초기 단계이지만, 다수의 글로벌 기업들이 기술 개발 및 상용화를 위해 치열하게 경쟁하고 있습니다. 주요 기업들의 동향은 다음과 같습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 높은 에너지 밀도 요구: 기존 리튬이온 전지보다 3~5배 높은 잠재적 에너지 밀도를 바탕으로, 전기차, UAM 등 고성능을 요구하는 산업에서 수요가 폭발적으로 증가하고 있습니다.

2. 원가 경쟁력 및 친환경성: 저렴한 황을 주원료로 사용하고 코발트나 니켈 같은 고가의 희소금속을 사용하지 않아 가격 경쟁력이 높으며, 탄소 발자국도 기존 전지 대비 60% 감소시키는 등 친환경적인 특성을 가집니다.

3. 정부 정책 및 투자 확대: 세계 각국이 탄소중립 목표를 달성하기 위해 전기차 보급 및 신재생에너지 확대를 추진하고 있으며, 이에 따라 차세대 전지 기술 개발을 위한 정부의 R&D 투자 및 정책 지원이 강화되고 있습니다.