DGIST, 비용 낮추고 내구성 높인 리튬·황 전지 개발했다

제1저자 이병준 석박통합과정생(왼쪽)과 유종성 교수

[대구=뉴시스] 박준 기자 = 대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지시스템공학전공 유종성 교수팀이 기존의 황 복합전극 소재인 다공성 탄소 대신 다공성 실리카를 사용한 리튬-황 전지를 개발했다고 19일 밝혔다.

최근 전기자동차, IoT 기술 등이 발전하면서 고효율 차세대 이차전지 연구가 활발하다. 리튬-황 전지는 기존의 리튬이온 전지보다 밀도가 5배 이상 높아 장시간 사용이 가능하다. 지구상에 풍부한 자원인 황은 가격이 저렴하고 유해하지 않아 세계적으로 활발한 연구가 진행 중이다.

하지만 리튬-황 전지에 사용되는 황은 충전과 방전 중에 생성되는 다양한 형태의 리튬 다황화물 때문에 황 활물질의 손실이 발생, 전지의 수명과 용량이 크게 악화되는 단점이 있다. 이를 개선하기 위한 황 복합전극 소재 개발이 활발히 이뤄지고 있다.

유 교수팀은 특별한 구조를 통해 황을 효과적으로 담을 수 있는 물질인 다공성 실리카를 새롭게 합성해 다공성 실리카·황 복합전극을 최초로 구현했다.

기존의 황 복합전극 소재인 다공성 탄소는 황의 낮은 전기전도도를 향상시킬 수 있지만 극성이 없어 리튬 다황화물과 친화력이 낮아 황의 손실이 컸다.

반면, 연구팀이 고안한 다공성 실리카는 비전도성이지만 극성 성질 때문에 극성 리튬 다황화물과 뛰어난 상호작용으로 황의 손실을 억제할 수 있으리라는 기대다.

다공성 실리카-황 복합전극을 활용한 리튬-황 전지의 구성 및 전기화학 반응 메커니즘

연구팀은 이를 규명하고자 다공성 탄소와 다공성 실리카를 리튬-황 전지에 적용시켜 2000회 이상의 가혹한 충전과 방전을 동일하게 구동했다. 그 결과 다공성 실리카가 더욱 뛰어난 내구성을 보임을 확인했다.

또 기존의 리튬-황 전지 연구에서 보고된 2 ㎎/㎠ 이하의 황 함유량의 약 3배 이상인 6.5 ㎎/㎠ 수준의 높은 황 함유량을 포함하며 뛰어난 용량과 수명을 증명했다.

유종성 교수는 "지금까지 시도하지 못한 다공성 무기질 구조 물질을 새로운 황 복합전극 소재로 이용할 수 있음을 최초로 규명한 연구성과"라면서 "차세대 고내구성 리튬-황 전지 개발에 대한 새로운 패러다임을 제공할 수 있을 것으로 기대된다"고 전했다.

이 연구는 미국 아르곤 국립연구소(ANL)의 아민 카릴 박사팀과 공동협력으로 진행됐으며 DGIST 에너지공학전공 이병준 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했다.

이와 함께 에너지과학 분야의 세계적 학술지 '어드밴스트 에너지 머티어리얼스' 4월22일자 온라인판에 게재됐다.

◎공감언론 뉴시스 june@newsis.com

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