[우수R&D] 김한수 교수, 성층권에서 사용 가능한 무인 항공기 이차 전지 개발 도전

영하 70도에서 작동할 수 있는 황화물계 전고체 이차 전지 개발 착수

김한수 공과대학 에너지공학과 교수가 성층권에서 운항할 무인 항공기의 배터리 개발을 시작한다. 김 교수는 국방 미래도전기술의 한 과제로 ‘황화물계 전고체 기반 무음극 고에너지 밀도 2차전지 시스템’을 진행 중이다.

국방과학연구소는 성층권에서 운항할 수 있는 무인 비행기를 개발 중이다. 성층권은 구름과 비바람 같은 날씨 제약을 받지 않는 곳으로 무인 비행기가 장시간 머물 수 있다. 무인 항공기가 연료 공급을 위한 착륙 없이 계속 비행한다면 전파 교신과 항공 촬영 등 적은 비용으로 인공위성의 역할도 대신할 수 있다. 이 때문에 현재 전 세계가 성층권 드론 운용 기술을 개발하고 있다.

김 교수는 무인 항공기의 연료인 배터리에 대한 기술 개발을 지난달 착수했다. 성층권 무인기는 낮에 태양전지로 전기를 공급받고 밤에는 낮에 비축한 전기를 이차 전지에서 공급받도록 설계될 예정이다. 이차 전지란 충전해서 재사용이 가능한 전지를 일컬으며 휴대 전화, 노트북에 사용되고 있다. 최근 전기자동차용 전지와 대체에너지의 저장 플랜트 등 반도체 못지않은 주력산업으로 주목받고 있다.

이번 연구는 두 가지 난관을 해결해야 한다. 영하 70도인 성층권의 극한 환경에서도 잘 작동해야 하며, 일몰 이후부터 해가 뜰 때까지 충전 없이 장시간 운전 가능해야 한다. 휴대 전화가 겨울이 되면 곧잘 꺼지고 금방 방전되는 것을 생각하면 도전적인 과제임을 알 수 있다. 액체 전해질을 사용하는 기존 이차 전지로는 이 문제를 해결할 수 없다. 김 교수는 고체 전해질을 이용하는 전고체 전지를 활용할 계획이다.

전고체 전지는 액체 전해질 전지보다 작동 온도 범위가 넓은 것이 특징이다. 반면 전고체 전지의 에너지 밀도는 기존 이차 전지에 비해 낮아 고밀도화를 이뤄내야 한다. 이를 위해 배터리의 전극 물질로 에너지 밀도가 높은 금속을 사용하면 된다. 지구상 존재하는 원소 중 가장 에너지 밀도가 높은 리튬을 음극으로 배치하면 되지만 연소 위험이 커서 비행기에 사용할 수 없다. 김 교수는 무음극화를 통해 해결할 계획이라고 밝혔다.

김 교수의 이번 연구가 성공하면 450Wh/kg의 에너지 밀도를 지닌 극저온 구동 전지가 개발된다. 김 교수는 “지금은 개발의 성공 여부가 중요하다"며 "하지만 훗날 이 기술이 상용화돼 실생활에서도 도움이 된다면 좋겠다”고 바람을 말했다. 그는 이어 “군용과 다르게 민간용은 대량생산이 가능하도록 조정해야 한다”며 이번 연구 과제 이후의 계획을 전했다.