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

대구경북과학기술원(DGIST)은 유종성 에너지시스템공학전공 교수팀이 다공성 실리카를 사용한 리튬·황 전지를 개발했다고 19일 밝혔다.

DGIST 에너지공학전공 유종성 교수(오른쪽), 제1저자 이병준 석박통합과정생(왼쪽). /DGIST 제공

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최근 전기자동차, 사물인터넷 기술이 발전하면서 효율이 높은 차세대 이차전지 연구가 이뤄지고 있다. 리튬·황 전지는 기존 리튬이온 전지보다 5배 이상 에너지 밀도가 높아 오랜 시간 사용 가능하다. 풍부한 자원인 황을 사용한다는 점에서 전 세계 연구자들이 활발히 연구하고 있다.

하지만 리튬·황 전지에 사용되는 황은 충전과 방전 중에 생성되는 리튬 다황화물 때문에 황 활물질의 손실이 발생해 전지의 수명과 용량을 악화시켰다. 이를 개선하기 위해 황 복합전극 소재 개발이 진행되고 있다.

유종성 교수팀은 특별한 구조를 통해 황을 효과적으로 담는 물질인 다공성 실리카를 합성해 다공성 실리카·황 복합전극을 구현했다. 기존 황 복합전극 소재로 쓰이던 다공성 탄소는 황의 낮은 전기전도도를 높일 수 있지만 극성이 없어 리튬 다황화물과 친화력이 낮아 황 손실이 컸다.

연구팀은 다공성 실리카가 비전도성이지만 극성 성질 때문에 극성 리튬 다황화물과 상호작용해 황 손실을 억제할 것으로 예상했다. 이를 규명하기 위해 다공성 탄소와 다공성 실리카를 리튬·황 전지에 적용시켜 2000회 이상 충전과 방전을 동일하게 구동한 결과 다공성 실리카가 높은 내구성을 보였다. 또 기존 리튬·황 전지 연구에서 알려졌던 황 함유량보다 약 3배 이상 높은 황 함유량을 포함한 것으로 나타났다.

유종성 교수는 "지금까지 시도하지 못한 다공성 무기질 구조 물질을 황 복합전극 소재로 이용할 수 있음을 규명했다"며 "차세대 고내구성 리튬·황 전지 개발에 새로운 패러다임을 제공 할 수 있을 것"이라고 기대했다.

연구는 미국 아르곤 국립연구소의 아민 카릴 박사팀과 공동협력으로 진행됐다. 연구 결과는 에너지과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 22일자 온라인판으로 게재됐다.

황민규 기자(durchman@chosunbiz.com)

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