DGIST, 안정적으로 황 고정시킨 양극 제작
질소 첨가한 다공성 탄소가 황을 더 많이 담아
1000번 넘게 써도 705mAh/g 용량 유지

배터리. 게티이미지 제공

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[파이낸셜뉴스] 대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지공학과 유종성 교수팀이 12분 만에 완전 충전할 수 있고, 1000번 이상 사용할 수 있는 리튬-황 전지를 개발했다고 27일 밝혔다. 리튬-황 전지에 질소를 첨가한 새로운 다공성 탄소를 적용해 지금까지 상용화 걸림돌이었던 문제를 해결했다.

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

연구진은 이 문제를 해결하기 위해, 질소를 포함한 고흑연성·다중다공성 탄소를 새롭게 합성해 리튬-황 전지의 양극으로 만들었다. 이 양극은 급속 충전에서도 높은 에너지 용량을 유지할 수 있다.

연구진이 개발한 탄소 소재는 'ZIF-8'이라는 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 뿐만아니라, 황과 전해질의 접촉을 원활하게 만들어 전지의 성능을 크게 높였다.

연구진이 만든 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 705mAh/g의 높은 용량을 기록하며, 기존 대비 1.6배 향상된 성능을 기록했다. 또, 질소가 탄소 표면에 도핑돼 리튬이 뭉쳐 만들어진 분자의 이동을 효과적으로 억제함으로써, 1000회 이상의 충·방전 후에도 82%의 용량을 유지했다.

또한 미국 아르곤 국립연구소의 카릴 아민 박사팀이 첨단 현미경 분석을 통해, 새로 개발된 탄소의 층상구조 사이에 리튬 분자가 특정 방향으로 잘 형성되는 것을 확인했다. 이를통해 도핑된 질소와 다공성 탄소 구조가 황의 양을 늘리고, 탄소의 흑연성이 황의 반응을 촉진해 충전속도를 높였다는 사실이 입증됐다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 리튬-황 전지를 세계적 학술지 'ACS 나노'에 발표했다.
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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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