투데이e코노믹 = 이혜진 기자 | LG에너지솔루션이 전고체 배터리 구조를 활용해 황(Sulfur)을 양극 소재로 적용한 고용량 배터리 기술 구현에 성공하며 차세대 배터리 기술 상용화 가능성을 한층 높였다.

LG에너지솔루션은 시카고대학교 셜리 멍(Shirley Meng) 교수 연구팀과 공동으로 수행한 연구 결과가 에너지 분야 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 지난달 27일 게재됐다고 5일 밝혔다.

이번 연구는 LG에너지솔루션이 UC샌디에이고(UCSD) 및 시카고대학교 프리츠커 분자공학대학(Pritzker School of Molecular Engineering)과 함께 운영 중인 공동 연구 플랫폼인 FRL(Frontier Research Lab)을 통해 진행된 산학 협력 프로젝트의 대표적인 성과다.

연구의 핵심은 차세대 고용량 양극 소재로 주목받아 온 ‘황’을 실제 배터리 시스템에서 안정적으로 구현했다는 점이다. 황은 가격이 저렴하고 자원이 풍부한 데다 약 1675mAh/g에 달하는 높은 이론 용량을 지니고 있어 고에너지밀도 배터리 소재로 꾸준히 연구돼 왔다.

다만 기존 리튬이온전지와 같은 액체 전해질 기반 구조에서는 충·방전 과정에서 생성된 황 화합물이 전해질로 빠져나오는 ‘폴리설파이드(Polysulfide) 용출’ 현상이 발생해 성능이 급격히 저하되는 문제가 있었다. 이 때문에 높은 이론 용량에도 불구하고 수명과 안정성을 확보하기 어려워 상용화에 한계가 있다는 평가가 이어져 왔다.

공동 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리 구조를 적용했다. 이를 통해 폴리설파이드 용출이 발생하는 환경 자체를 차단하면서 황 양극의 높은 용량 특성을 안정적으로 구현하는 데 성공했다.

연구 결과 약 1500mAh/g 수준의 높은 용량과 안정적인 수명 특성이 확인됐다. 특히 이번 성과는 실험용 코인셀 수준을 넘어 실제 배터리 형태인 파우치 셀에서도 동일한 성능이 구현됨을 확인해 기술의 실질적인 적용 가능성을 입증했다는 평가다.

LG에너지솔루션 관계자는 “이번 연구는 황 양극을 적용해 기존 리튬이온전지 대비 한 단계 높은 에너지 용량 확장 가능성을 확인했다는 점에서 의미가 있다”며 “산업계와 학계의 협력을 기반으로 안전성, 에너지밀도, 비용 경쟁력을 동시에 확보하는 차세대 배터리 기술 개발을 지속 확대해 나갈 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구를 이끈 셜리 멍 교수는 오는 ‘인터배터리 2026’ 기간에 열리는 ‘더 배터리 컨퍼런스(The Battery Conference)’ 연사로 참여해 전고체 배터리와 차세대 배터리 기술의 발전 방향에 대해 발표할 예정이다.