디지스트, 차세대 리튬-황배터리 수명연장 기술 개발

다공성 탄소로 된 황 복합전극 대신 다공성 실리카 사용 개가

대구경북과학기술원(DGIST, 디지스트) 에너지공학전공 유종성 교수(오른쪽)교수와 제1저자 이병준 석박통합과정생. 디지스트 제공

기존 리튬이온전지에 비해 에너지밀도가 높아 차세대 전지로 기대를 모으고 있는 ‘리튬-황 전지’의 수명과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

대구경북과학기술원(DGIST, 디지스트) 유종성 에너지시스템공학전공 교수 연구팀은 기존의 황 복합전극 소재인 다공성 탄소 대신 다공성 실리카를 사용한 리튬-황 전지를 개발했다고 19일 밝혔다.

리튬-황 전지는 휴대폰이나 자동차 등에 많이 쓰이는 리튬이온 전지보다 에너지밀도가 5배 이상 되는 것으로 알려져 있다. 이론상 전기자동차에 한 번 충전으로 2,000㎞ 이상 주행할 수 있다는 의미다. 게다가 값비싼 리튬 대신 흔하고 저렴한 황을 사용할 수 있어 생산비용도 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.

하지만 황은 충전과 방전 중에 생성되는 다양한 형태의 리튬 다황화물 때문에 황 활물질의 손실이 생겨 전지의 수명과 용량이 크게 제한하는 치명적 단점을 안고 있다. 이대로는 리튬이온전지를 대체하는 게 어렵다.

유종성 교수팀은 특별한 구조를 통해 황을 효과적으로 담을 수 있는 물질인 다공성 실리카를 새롭게 합성해 다공성 실리카ㆍ황 복합전극을 최초로 구현했다.

기존의 황 복합전극 소재로 쓰이던 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 있으리라 예측했다.

연구팀은 다공성 탄소와 다공성 실리카를 리튬-황 전지에 적용시켜 2,000회 이상의 가혹한 충전과 방전을 동일하게 구동한 결과 다공성 실리카가 더욱 뛰어난 내구성을 보임을 확인했다.

유종성 교수는 “지금까지 시도하지 못한 다공성 무기질 구조 물질을 새로운 황 복합전극 소재로 이용할 수 있음을 최초로 규명한 연구성과”라며 “차세대 고내구성 리튬-황 전지 개발에 대한 새로운 패러다임을 제공 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 미국 아르곤 국립연구소(ANL)의 아민 카릴(Amine Khalil) 박사팀과 공동협력으로 진행됐다. 디지스트 에너지공학전공 이병준 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했다. 아울러 에너지과학 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials)’ 4월 22일자 온라인판에 게재됐다.

정광진 기자 kjcheong@hankookilbo.com