중국 연구진이 드론 비행 시간을 크게 늘릴 수 있는 차세대 리튬-황 배터리를 개발했다고 과학매체 인터레스팅엔지니어링이 최근 보도했다.

중국 칭화대학교 선전국제대학원 연구진은 리튬-황 배터리 내부의 반응 효율을 높이고 에너지 손실을 줄이는 기술을 개발해 연구 결과를 국제 학술지 ‘네이처’에 발표됐다.

연구진이 개발한 새로운 리튬-황 배터리의 에너지 밀도는 549Wh(와트시)/㎏에 이른다. 이는 현재 대부분의 상용 드론에 사용되는 리튬이온 배터리의 한계치 약 300Wh/㎏를 크게 뛰어넘는 수준이다. 연구진은 이를 통해 드론의 비행 거리와 체공 시간을 2배 수준으로 늘릴 수 있을 것으로 기대하고 있다.

리튬-황 배터리는 리튬이온 배터리보다 가격이 저렴하고 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 차세대 배터리로 주목 받아 왔다. 하지만 반복적인 충•방전 과정에서 안정성이 떨어지는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.

“필요할 때만 작동하는 첨가제” 개발

리튬-황 배터리의 문제 중 하나는 충·방전 과정에서 생성되는 가용성 중간 화합물이다. 이 물질은 배터리 내부를 이동하면서 반응 속도를 떨어뜨리고 장기적으로 배터리 성능 저하를 유발한다.

이를 해결하기 위해 연구진은 황 전기화학 반응용 ‘사전 매개체(premediator)’라는 새로운 첨가제를 도입했다. 이 첨가제는 황 반응이 시작되기 전까지는 비활성 상태로 유지되다가, 반응이 시작되면 활성화돼 중간 생성물을 붙잡고 전하 이동을 개선하는 역할을 한다.

칭화대 SIGS 연구원 저우 광민은 “배터리 내부에 잠들어 있다가 필요할 때 깨어나는 특수 첨가제라고 생각하면 된다”고 설명했다.

연구진은 이 기술이 반응 속도를 높이고 전기화학적 과정을 안정화해 기존 리튬-황 배터리 대비 내부 저항을 약 75% 줄였다고 밝혔다. 실험실 테스트에서는 해당 배터리가 800회 충·방전 이후에도 초기 용량의 약 82%를 유지하며 안정적인 성능을 보였다.

관련기사

드론 비행시간 확대 기대

연구진은 현재 드론용 배터리의 거의 두 배에 달하는 에너지 밀도 549Wh/㎏를 구현한 파우치형 배터리 시제품도 제작했다. 저우 연구원은 “드론 분야에서는 에너지 밀도가 매우 중요하다”며 “에너지 밀도가 높아질수록 비행 시간이 길어지고 탑재량과 작동 범위도 확대된다”고 설명했다.

연구팀은 이 기술이 택배 배송, 전력선 점검, 장거리 감시, 긴급 구조 활동 등 장시간 비행이 필요한 드론 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.