DGIST,차세대 배터리 '리튬-황 전지' 수명·안정성↑

국내 연구진이 새로운 전극물질을 이용해 차세대 배터리인 리튬-황 전지 수명과 안정성을 크게 향상시키는 기술을 개발했다.

대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 유종성 에너지공학전공 교수팀이 기존 황 복합전극 소재인 다공성 탄소 대신 다공성 실리카 실리카(SiO2)를 사용한 리튬-황 전지를 개발했다고 19일 밝혔다.

DGIST 에너지공학전공 유종성 교수(오른쪽)와 제1저자 이병준 석박통합과정생.

리튬-황 전지는 리튬이온 전지보다 5배 이상 높은 에너지밀도를 갖고 있어 장시간 사용이 가능하다. 특히 황은 매장량이 풍부해 가격이 저렴하고 인체에도 유해하지 않다. 하지만 황은 충전과 방전 중에 다양한 형태의 리튬 다황화물 때문에 황 활물질의 손실이 발생해 전지 수명과 용량이 크게 악화되는 단점이 있다. 이를 개선하기 위한 황 복합전극 소재 개발이 한창이다.

유 교수팀은 특별한 구조를 통해 황을 효과적으로 담을 수 있는 물질인 다공성 실리카를 새롭게 합성해 다공성 실리카·황 복합전극을 최초로 구현했다. 기존 황 복합전극 소재로 쓰이던 다공성 탄소는 황의 낮은 전기전도도를 향상시킬 수 있지만 극성이 없어 리튬 다황화물과 친화력이 낮아 황의 손실이 컸다. 연구팀이 고안한 다공성 실리카는 비전도성이지만 극성 성질 때문에 극성 리튬 다황화물과 뛰어난 상호작용으로 황의 손실을 억제할 수 있을 것으로 예측했다.

다공성 실리카및 다공성 탄소체에 대한극성 리튬 다황화물의 흡착효과를 관찰한 실험

연구팀은 이를 규명하기 위해 다공성 탄소와 다공성 실리카를 리튬-황 전지에 적용시켜 2000회 이상 가혹한 충전과 방전을 동일하게 구동해 보았다. 그 결과, 다공성 실리카가 더욱 뛰어난 내구성을 보임을 확인했다. 또 기존 리튬-황 전지 연구에서 보고된 황 함유량보다 약 3배 이상 높다는 것을 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 제공 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

미국 아르곤 국립연구소(ANL)의 아민 카릴 박사팀과 공동협력으로 진행되고, DGIST 에너지공학전공 이병준 석박사통합과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구성과는 최근 에너지과학 분야 세계적 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 온라인판에 게재됐다.

대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com

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