12분 만에 완충, 1000번 이상 활용 가능, 차세대 리튬-황 전지 개발 

- DGIST 유종성 교수팀, 미국 아르곤 국립연구소와 국제공동연구

황 담지용 탄소 구조체의 합성 및 특성. (a) ZIF-8을 단순 열처리하여 합성된 탄소 (NPC)와 마그네슘 열환원법을 이용해 합성된 탄소(GNHPC)의 합성 과정과 각각 황을 담지하였을 때를 표현한 그림. (b) 고흑연성·다공성 탄소 (GNHPC)의 황 호스트로서의 장점. (c) NPC와 GNHPC에서 황이 리튬 설파이드로 변환되는 과정을 묘사한 그림. (자료제공: DGIST)

대구경북과학기술원(DGIST, 총장 이건우)은 에너지공학과 유종성 교수팀이 미국 아르곤 국립연구소와 국제공동연구로 리튬-황 전지의 충전속도를 크게 개선할 수 있는 신기술을 개발했다고 12월 27일 밝혔다. 

연구팀은 기존 리튬-황 전지가 상용화에 어려움을 겪었던 느린 충전속도 문제를 해결하기 위해, 질소를 첨가한 새로운 다공성 탄소 소재를 활용했다.

리튬이온 전지는 전기차와 같은 친환경 기술에 필수적이지만, 에너지 저장 용량이 낮고 가격이 높은 단점이 있다. 이에 비해 리튬-황 전지는 에너지 밀도가 높고, 황이 저렴한 소재여서 차세대 배터리로 주목받고 있다. 하지만 급속충전 시 황의 활용도가 떨어지고 전지 용량이 줄어드는 문제로 인해 상용화가 어려웠다.

또 다른 문제는 방전 과정에서 황이 분해되어 생성된 리튬 폴리설파이드가 전지 내부를 떠돌며 성능을 저하시킨다는 점이다. 이를 해결하기 위해 다공성 탄소 구조체에 황을 담아 전지를 제작하는 방식이 연구되고 있지만, 여전히 상용화 수준의 성능을 확보하지 못했다.

유종성 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해, 질소를 포함한 고흑연성·다중다공성 탄소를 새롭게 합성하고 이를 리튬-황 전지의 양극에 적용했다. 이 기술은 급속 충전에서도 높은 에너지 용량을 유지하는 데 성공했다.

이번에 개발된 탄소 소재는 ZIF-8이라는 금속-유기 골격체에 마그네슘을 이용한 열환원법을 적용해 합성했다. 마그네슘은 고온에서 ZIF-8의 질소와 반응해 탄소의 구조를 더 안정적이고 견고하게 만들며, 기존보다 다양한 세공 구조를 형성했다. 이 구조는 황을 더 많이 담을 수 있을 뿐 아니라, 황과 전해질의 접촉을 원활히 하여 전지의 성능을 크게 높였다.

이번 연구에서 개발된 리튬-황 전지는 마그네슘 열환원법을 활용한 간단한 방식으로 합성된 다기능성 탄소 소재를 황 호스트로 사용했다. 이 전지는 완전 충전 시간이 단 12분에 불과한 급속충전 조건에서도 705mAhg⁻¹의 높은 용량을 기록하며, 기존 대비 1.6배 향상된 성능을 나타냈다. 또한, 질소가 탄소 표면에 도핑되어 리튬 폴리설파이드의 이동을 효과적으로 억제함으로써, 1,000회 이상의 충·방전 후에도 82%의 용량을 유지하는 뛰어난 안정성을 보였다.

연구 과정에서 공동연구기관인 미국 아르곤 국립연구소의 카릴 아민(Khalil Amine) 박사팀은 첨단 현미경 분석을 통해, 새로 개발된 탄소의 층상구조 사이에 리튬 설파이드(Li₂S)가 특정 방향으로 잘 형성되는 것을 확인했다. 이로써 도핑된 질소와 다공성 탄소 구조가 황의 양을 늘리고, 탄소의 흑연성이 황의 반응을 촉진해 충전속도를 높였다는 사실이 입증됐다.

유종성 교수는 “이번 연구는 마그네슘을 활용한 간단한 합성법으로 리튬-황 전지의 충전 속도를 개선하는 데 초점을 맞췄다”며 “이 연구를 기반으로 리튬-황 전지의 상용화가 앞당겨지기를 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업으로 진행됐다. 연구결과는 세계적 학술지 ‘ACS Nano’에 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]