저비용 고에너지 장수명 리튬-황 전지 개발

중간층이 없거나 다공성 탄소, 다공성 실리카, 다공성 실리카/황 중간층이 사용 된 H형 전지들의 167.5 mA g-1 전류밀도에서의 전기화학 반응 동안 리튬 다황화물의 확산 시험 결과 사진. (자료제공: DGIST)

DGIST(총장 국양) 에너지공학과 유종성 교수 연구팀은 황(sulfur) 활물질이 담겨진 다공성 실리카 중간층(interlayer) 기술을 개발했다고 8월 24일 밝혔다. 이번 연구는 에너지 밀도와 안정성이 중요한 ‘차세대 리튬-황 전지’ 연구개발 및 상용화 분야의 터닝 포인트가 될 것으로 기대된다.
최근 대용량 에너지 저장장치의 수요가 증가하면서 리튬이온 전지를 대체할 수 있는 고에너지, 저비용 차세대 이차전지 연구가 활발하다. 이 중 황을 양극소재로 사용하는 리튬-황 전지는 비싼 희토류를 양극소재로 사용하는 기존의 리튬이온 전지보다 수배 이상 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 전기차, 드론 등 고에너지 장치에 활용이 기대된다. 또한, 황은 가격이 저렴하고, 풍부한 자원이면서 유해하지 않아 세계적으로 리튬-황 전지에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
하지만 리튬과의 반응 과정에서 전기에너지를 생산하는 활물질인 ‘황’의 낮은 전도율과 전지의 충전과 방전시 생성되는 다황화물이 전지의 음극 쪽으로 확산되면서 황 활물질의 손실이 발생해 전지의 용량과 수명이 크게 악화된다는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 리튬-황 전지의 전기전도도를 높이거나, 다황화물을 잘 흡착해 확산을 저지할 수 있는 물질로 층을 만들어서 황 전극과 분리막 사이(중간)에 새로운 층을 만들어 활용하는 중간층(interlayer) 기술이 적용되어져 왔다.
중간층 기술로 리튬-황 전지의 용량과 수명 향상을 위해 기존에 활용 중인 ‘전도성 탄소’는 황 전극에 전도성을 부여했지만, 극성 리튬 다황화물과의 친화력이 낮아 황의 확산을 막지 못하는 문제가 발생했다. 반면 ‘극성 산화물’을 중간층 소재로 활용하는 경우 극성 리튬 다황화물과의 상호작용이 뛰어나 황의 손실이 억제되었지만, 전도도가 낮아 황의 활용도가 낮아지게 되는 단점이 있다. 또한 기존에 적용된 다양한 중간층 물질들은 공통적으로 두껍고, 산화환원 활성이 없는 중간층의 삽입으로 인해 상용화에 필요한 에너지 밀도와 사이클 수명을 달성하지 못한다는 단점이 있었다.
이에 연구팀은 판상형 다공성 실리카를 합성하고 그 안에 황을 담아서 산화환원 활성이 있는 새로운 다공성 실리카/황 중간층을 최초로 구현했다. 연구팀은 중간층에 담겨진 황 활물질로 전지 면적당 용량이 증가하고, 효과적인 리튬 다황화물 흡착 자리로서 극성 실리카/황 중간층이 존재함으로 리튬-황 전지의 용량과 수명 효율을 극대화 할 수 있다고 예상하였다.
이를 규명하기 위해 실리카/황 중간층을 리튬-황 전지에 적용, 700회의 충전과 방전을 구동해 보았는데, 그 결과 700회 충방전 사이클 이후에 다공성 실리카/황 중간층 대비 탁월한 장기 안정성을 보여주었다. 특히, 10 mg/㎠ 수준의 높은 황 함유량에도 높은 용량과 함께, 탁월한 장기 수명 특성을 증명하였다. 또한 황 담지량 대비 낮은 전해질 양에서도 (낮은 E/S = 4) 우수한 전지 특성을 보여주어 실용화에도 접근하였다.
DGIST 에너지공학과 유종성 교수는 “지금까지 시도하지 않았던 다공성 실리카 물질의 기공에 황을 감지한 물질을 용량과 수명 증가를 위한 리튬-황 배터리용 중간층 소재로 이용할 수 있음을 최초로 규명한 연구성과”라며 “차세대 고에너지, 장수명 리튬-황 전지 개발에 대한 새로운 이정표를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.”라고 말했다.
이번 연구는 세계적 학술지 ‘Nature Communications’ 8월 8일 자 온라인판에 게재됐다.