리튬이온 울고 갈 고효율 리튬-황 전지 개발

다공성 실리카 및 다공성 탄소체에 대한 극성 리튬 다황화물의 흡착 효과를 관찰한 실험 (a) 리튬 다황화물인 Li2S6 용액에 같은 양의 다공성 실리카 및 다공성 탄소를 넣고 2시간 후에 관찰한 실제 사진이다. 다공성 실리카의 경우에는 용액이 투명하게 변한 상태이고 반면에 무극성을 띠는 다공성 탄소인 경우에는 색상 변화가 거의 없었음을 알 수 있으며, 이는 극성 다공성 실리카가 극성 리튬 다황화물인 Li2S6과 극성-극성상호 작용을 통해 극성 실리카 구조내에 보다 잘 흡착함을 알 수 있다. (b) (a) 흡착 실험 후에 상층액을 UV-Vis 스펙트럼 측정한 결과이다. 측정 결과, 잔류하는 극성 리튬 다황화물인 Li2S6의 용액의 농도가 다공성 실리카의 경우 더 낮음을 알 수 있다. 이를 통해 리튬-황 전지에서 다공성 실리카를 황 복합전극 소재로 사용할 경우 극성 리튬 다황화물과 더 우수한 상호작용을 통해 활물질인 황의 손실을 최소화 할 수 있다는 증거를 보여준다자료=DGIST

국내 연구진이 새로운 전극 물질을 이용해 차세대 배터리인 ‘리튬-황 전지’의 수명과 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.

대구경북과학기술원(DGIST) 에너지시스템공학전공 유종성 교수팀이 기존의 황 복합전극 소재인 다공성 탄소 대신 다공성 실리카(SiO2)를 사용한 리튬-황 전지를 개발했다고 19일 밝혔다. 실리카는 암석이나 토사의 주성분으로 광섬유, 수정진동자 등 하이테크의 기본이 되는 소재다.


최근 전기자동차, 사물인터넷(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. 또 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.

연구팀은 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 있을 것으로 예측했다. 연구팀은 이를 규명하고자 다공성 탄소와 다공성 실리카를 리튬-황 전지에 적용시켜 2000회 이상의 가혹한 충전과 방전을 동일하게 구동해 보았다.

그 결과, 다공성 실리카가 더욱 뛰어난 내구성을 보임을 확인했다. 또 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.

DGIST 에너지공학전공 유종성 교수(오른쪽), 제1저자 이병준 석박통합과정생(왼쪽)/사진=DGIST

유 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 제공할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 미국 아르곤 국립연구소(ANL)의 아민 카릴(Amine Khalil) 박사팀과 공동협력으로 진행됐다. DGIST 에너지공학전공 이병준 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했다. 이번 연구성과는 에너지 분야의 국제학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 온라인판에 게재됐다.