추현원 연구원(좌), 김희탁 교수(우)
[대전=일요신문] 육군영 기자 = KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀은 이론용량의 92%를 구현하고 높은 용량 밀도(4㎃h/㎠)를 가지는 고성능, 고용량 리튬-황 전지를 개발했다.
이번 연구는 전기자동차 및 무인항공체(드론)의 항속거리 한계를 극복하기 위해 기존의 리튬이온전지 대비 높은 에너지밀도를 가지는 차세대 리튬전지에 관한 연구에 기반이 될 것으로 주목받고 있다.
리튬-황 전지는 기존의 리튬-이온 전지보다 약 6~7배 높은 이론 에너지밀도를 가지고 있으며 원료의 가격도 비교적 저렴하다
그러나 리튬-황 전지는 구동 중 방전 생성물인 황화 리튬이 전극 표면에 쌓이고 전극 표면에서 전자전달을 차단해 리튬-황 전지의 이론용량 구현이 불가능하다는 한계를 갖는다.
이러한 전극 부동화의 문제를 완화하기 위해 과량의 도전제를 전극에 도입해 왔으나 이는 리튬-황 전지의 에너지 밀도를 크게 낮추는 문제를 발생시키며, 이론용량 구현이 70%를 넘지 못하는 한계를 보였다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기존 리튬-황 전지의 전해질에 사용하던 리튬 염을 대체해 높은 전자기여도를 가지는 음이온 염을 이용했다.
이 전해질 염은 전지 내부의 황화리튬의 용해도를 높여 전극 표면에 3차원 구조의 황화리튬 성장을 유도하고 이는 전극의 부동화를 효율적으로 억제해 높은 용량을 구현할 수 있게 한다.
연구팀은 이 전해액 기술을 바탕으로 기존 리튬-이온 전지와 동등한 수준의 면적당 용량 밀도를 갖는 고용량 황 전극에 대해 이론용량 92%인 수준을 구현해 기존 리튬-황 전지 기술의 한계를 극복했다.
KAIST 나노융합연구소 차세대배터리센터장 김희탁 교수는 “리튬-황 전지의 한계를 돌파하기 위한 새로운 물리 화학적 원리를 제시했다”라며 “리튬-황 전지의 이론용량의 90% 이상을 100사이클 이상 돌리면서도 용량 저하 없이 구현했다는 점에서 새로운 이정표가 될 것으로 기대한다”라고 말했다.
추현원 석사과정과 노형준 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 14일 자 온라인판에 논문명 ‘Achieving three-dimensional lithium sulfide growth in lithium-sulfur batteries using high-donor-number anions’으로 게재됐으며, 우수성을 인정받아 에디터스하이라이트에 선정됐다.
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