저비용, 고내구성 리튬-황 전지 개발

다공성 실리카 및 다공성 탄소체에 대한 극성 리튬 다황화물의 흡착 효과를 관찰한 실험(자료제공: DGIST)

대구경북과학기술원(DGIST, 총장 국양)은 에너지시스템공학전공 유종성 교수팀이 기존의 황 복합전극 소재인 다공성 탄소 대신 다공성 실리카를 사용한 리튬-황 전지를 개발했다고 지난달 19일 밝혔다.
최근 전기자동차, IOT 기술 등이 발전하면서 고효율 차세대 이차전지 연구가 활발하다. 그 중에서 리튬-황 전지는 기존의 리튬이온 전지보다 5배 이상 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 장시간 사용이 가능하다. 또한 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 발생해 전지의 수명과 용량이 크게 악화되는 단점이 있다. 이 때문에 이를 개선하기 위한 황 복합전극 소재 개발이 활발히 진행되고 있다.
이에 유종성 교수팀은 특별한 구조를 통해 황을 효과적으로 담을 수 있는 물질인 다공성 실리카를 새롭게 합성해 다공성 실리카/황 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 이를 규명하고자 다공성 탄소와 다공성 실리카를 리튬-황 전지에 적용시켜 2,000회 이상의 가혹한 충전과 방전을 동일하게 구동해 보았다. 그 결과, 다공성 실리카가 더욱 뛰어난 내구성을 보임을 확인했다. 또한 기존의 리튬-황 전지 연구에서 보고된 2 mg/cm2 이하의 황 함유량보다 약 3배 이상인 6.5 mg/cm2 수준의 높은 황 함유량을 포함하며 뛰어난 용량과 수명을 증명할 수 있었다.
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 연구결과는 에너지과학 분야의 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials)’ 온라인판에 게재됐다.