국내연구진, 저장용량 30% 높인 '리튬황 배터리' 개발

이재은 기자 / 기사승인 : 2023-01-19 11:03:36
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철 기반 기능성 양극 소재 개발해 전지에 적용
많은 에너지 저장해야 할 전기차 등에 활용가능
▲이진우 카이스트 교수
국내 연구진이 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 30% 향상된 '리튬-황 전지'를 개발하는데 성공했다.

카이스트(KAIST) 이진우 생명화학공학과 교수 연구팀과 포스텍(POSTECH) 한정우 교수 연구팀 그릭 LG에너지솔루션 차세대전지연구센터는 공동연구를 통해 리튬-황 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있는 양극 기능성 소재를 개발하고 이를 적용한 결과 에너지 밀도가 30% 높아진 것으로 확인됐다고 19일 밝혔다.

리튬-황 전지는 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 2~3배 높아 차세대 이차전지로 꼽히며 전세계적인 관심을 받고 있다. 에너지 밀도가 높다는 것은 한번에 많은 양의 에너지를 저장할 수 있다는 의미다. 이 때문에 전기자동차나 전자기기 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

리튬-황 전지가 리튬이온 배터리와 비교해 경쟁력 있는 에너지 밀도를 구현하기 위해서는 셀 내부에 아주 소량의 전해액만 사용해야 한다. 하지만 전해액 양을 줄이면 양극에서 발생하는 리튬 폴리 설파이드 용해 현상에 의한 전해액 오염정도가 극심해져 리튬이온 전도도가 낮아지고 전기화학 전환 반응 활성이 떨어져 높은 용량과 구동 전압을 구현하는 것이 제한된다.

이에 전세계 연구진들은 리튬 폴리 설파이드의 지속적인 용해 현상 및 전환 반응 활성을 개선하기 위해 다양한 기능성 소재들을 개발하고 있다. 그러나 현재까지 리튬-황 파우치셀 수준에서 높은 에너지 밀도와 수명 안정성을 확보하는 데 어려움을 겪고 있다. 파우치셀이란 양극, 음극, 분리막과 같은 소재를 쌓은 후, 필름으로 포장된 형태의 배터리다. 파우치셀은 가장 진보된 형태의 배터리 중 하나로 간주되며, 응용분야에 따라 다양한 모양으로 제작할 수 있다는 장점이 있다.

▲철 원자 주변 전자공여체와 전자수용체 도입을 통한 전자교환현상 유도전략 모식도 (자료=카이스트)

연구팀 역시 양극 기능성 소재 개발에 나섰다. 그 결과, 리튬 폴리 설파이드의 용해 현상과 전기화학 전환 반응성을 대폭 향상시킬 수 있는 철(Fe) 원자 기반의 기능성 양극 소재를 개발하는데 성공했다. 철 기반 기능성 양극 소재는 리튬 폴리 설파이드의 용해 현상을 효율적으로 억제시킬 뿐만 아니라 리튬 폴리 설파이드가 불용성의 리튬 설파이드로 전환될 수 있는 반응성도 개선시켰다. 소량의 전해액을 사용해도 높은 가역 용량, 구동 전압 그리고 수명 안정성을 구현할 수 있었다.

특히 이 기능성 양극 소재를 사용한 리튬-황 전지는 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 30% 향상된 것으로 나왔다. 철(Fe)은 가격이 매우 저렴한 소재이기 때문에 이번 연구에서 개발된 양극 기능성 소재가 향후 리튬-황 전지 산업 분야에서 활용될 가능성도 열려있다는 게 연구진의 설명이다.

이번 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials) 지난해 12월 17일자 온라인판에 게재됐다.

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