산림청 국립산림과학원(원장 이창재)은 7일 울산과학기술원과 공동으로 나무로부터 얻은 나노셀룰로오스(Nanocellulose)를 이용하여 폭발위험성이 현저히 낮고, 사용기간이 3배 이상 향상된 차세대 리튬-황 종이전지의 핵심 원천 기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

▲ 이창재 국립과학원장이 정부대전청사에서 세계 최초 나노셀룰로오스를 이용한 ‘리튬-황 종이전지’ 개발 브리핑을 하고 있다..

 - 나노셀룰로오스 : 나무에서 추출한 나노 입자(나노 크기의 셀룰로오스 섬유)이다.

 - 리튬이온전지 : 이동통신 서비스의 발달과 함께 휴대용 전자기기에 폭넓게 이용되고 있으며, 같은 중량 및 부피당 에너지 용량을 높이는 것이 핵심 기술이다.

 - 리튬-황 종이전지 : 전지의 용량을 높이기 위해 황(기존 : 리튬금속산화물, 대표적으로 리튬코발트산화물)과 폭발 안전성 및 유연성 향상을 위해 나노셀룰로스 (기존 : 플라스틱)가 적용된 새로운 개념의 이차전지이다.

이번에 개발된 리튬-황 종이전지는 기존 전지에서 열에 약해 폭발 위험성이 문제가 되었던 플라스틱 분리막을, 나무 세포를 얇게 쪼갠 차세대 친환경 소재인 나노셀룰로오스로 대체해 고온, 충격 등 분리막 파괴에 의한 폭발위험성을 제거했다.

  - 분리막 : 음극과 양극을 분리하면서 리튬이온을 이동시키는 막

또한 나노셀룰로오스 분리막과 전극을 일체형으로 만드는 혁신적인 구조변경을 통해 눌리거나 구겨지는 조건에서도 정상적으로 작동하여 안전성을 높였다.

▲ 리튬-황 종이전지에 전구를 연결하고 전지를 구기는 실험을 하고 있다.

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

황을 전극으로 사용하여 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.

또한 리튬-황 종이전지는 형태를 자유롭게 변형할 수 있는데, 굽힘 반복시험에서 기존의 리튬-황 전지 대비 유연성이 2.5배 이상 크게 향상됐을 뿐 아니라 심하게 구긴 상태에서도 전지 성능이 정상적으로 구현됐다. 이는 향후 몸에 착용해 사용하는 휴대전화 등 웨어러블 디바이스에도 활용가능하다.

리튬-황 종이전지는 국립산림과학원 신소재연구팀과 울산과학기술원 이상영 교수 연구팀이 공동으로 개발한 국내 원천기술로 임산공학과 전지공학의 혁신적인 협업 성과로 평가 받고 있다.

이번 연구결과는 이미 국내 특허가 출원됐으며, 현재는 해외 특허출원을 준비 중이다. 또한 관련 논문은 에너지 분야의 세계적 권위지인 「에너지와 환경과학」(Energy and Environmental Science; 인용지수=30.1) 온라인판에 게재됐으며 연구결과의 중요성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.

    - 인용지수 : 논문이 얼마나 많이 인용되었는가를 수치로 나타낸 지수

국립산림과학원 이선영 연구관은 이번 리튬-황 종이전지 개발의 중요성을 “재생가능한 자원인 나무에서 얻을 수 있는 친환경 재료로 전지 원료를 얻은 것”이라 강조하였다. 

또한 공동연구를 수행한 울산과학기술원의 이상영 교수는 “기존 소재로는 달성하기 힘든 높은 수준의 성능이 확보된 휘어지는 리튬-황 종이전지를 구현했다는 점에서 큰 의미가 있다”라고 설명했다.

가볍지만 높은 에너지 용량을 가진 리튬-황 종이전지는 활용범위가 넓어 앞으로 우리생활에 크게 기여할 것으로 전망된다.

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.

또한 스마트폰, 디지털 카메라 등과 같은 휴대용 전자제품에 사용될 경우 형태 변형이나 고온에 의한 폭발 위험성이 낮아져 국민안전에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

아울러 기존의 리튬이온전지에 비해 무게가 크게 절감돼 가벼우면서도 고용량 전지를 요구하는 드론과 같은 첨단산업분야 전반에 상당한 파급효과를 가져올 것으로 예상된다.