지스트, 가볍고 오래가는 초고용량 리튬황 배터리 개발

리튬황배터리의 반응과 이를 통한 무인 운송기와 중장비 등 응용 제품 개요도.(지스트 제공)2021.1.26/뉴스1 © News1

(광주=뉴스1) 박준배 기자 = 광주과학기술원(지스트)은 이재영 지구환경공학부 교수 연구팀이 차세대 에너지 저장기술로 주목받고 있는 리튬황 배터리의 성능과 내구성을 개선했다고 26일 밝혔다.

리튬황 배터리는 현존 차세대 배터리 중에서 가장 상용화에 가깝게 다가선 기술이다. 단위 무게의 에너지 밀도가 최대 2100 Wh/㎏에 달해 리튬이온배터리 대비 5.4배의 이론 용량을 갖는 초고용량 차세대 배터리다.


연구팀은 리튬황 배터리 양극 계면에 코발트 옥살레이트(cobalt oxalates)를 처음으로 전기화학 촉매로 도입했고 충방전 과정에서의 전기화학 촉매 반응을 규명, 지속적인 성능 내구성을 확보하는데 성공했다.

코발트 옥살레이트는 광범위한 산업 분야에서 코발트를 포함한 다른 물질을 만드는 데 사용한다.

리튬황 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 이론적으로 5배 높은 에너지 밀도를 갖고 있다. 경제적이고 친환경 소재여서 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있다.


전기차와 같은 중대형 에너지 저장장치 뿐 아니라 휴대용 전자기기와 초경량·초소형 특수장비에도 활용이 가능해 세계 각국에서 개발 경쟁이 치열하다.

그러나 황의 비전도성 특성, 충방전 과정에서 생성되는 리튬 폴리설파이드(lithium polysulfides)의 용출 등으로 인한 낮은 수명은 상용화에 큰 걸림돌로 작용했다.

연구팀은 전기화학적 산화·환원반응 촉매로 코발트옥살레이트를 매우 간단한 화학적 침전법을 이용해 그램 단위의 생산이 가능하도록 합성했고 이를 리튬황 배터리의 양극에 적용했다.

이를 통해 자가 방전을 최소화하고 기존 리튬황 배터리 대비 1.5배 수준으로 일주일가량 배터리를 놔둬도 자가 방전에 의한 성능 저하 없이 셀 성능이 지속됨을 확인했다.

이재영 교수는 "전기화학 촉매 반응을 통해 저렴한 비용으로 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 리튬황 배터리의 용량 개선과 내구성을 확보하였다는데 가장 큰 의의가 있다" "며 "후속 연구를 통해 리튬황 배터리의 내구성을 점차 개선하여 차세대 에너지 저장 기술 발전에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 지스트 연구원(GRI)의 지원으로 수행했고 녹색기술과 지속가능에너지 분야의 세계적인 학술지인 '켐서스켐'(ChemSusChem)에 2021년 1월19일자 표지논문으로 실렸다.

이재영 지스트 지구환경공학부 교수 연구팀. 뒷줄 왼쪽부터 시계방향으로 이재영 교수, 서규원 학생, 봉성율 연구부교수, 김진원 박사.(지스트 제공)2021.1.26/뉴스1 © News1 박준배 기자

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