국내 연구진이 수명과 성능이 향상된 '리튬-황 2차 전지'를 구현하는 데 성공했다. 이 리튬-황 2차 전지는 기존 리튬-이온 2차 전지보다 약 7배 이상 에너지 밀도가 높아 전기 자동차, 스마트 그리드 등 대용량 에너지 제어 시스템 구축 시 활용도가 높다.
이진우 KAIST 생명화학공학과 교수와 한정우 포스텍 화학공학과 교수 연구팀은 서로 다른 크기의 기공을 갖는 무기소재 합성을 통해 '황 담지체'를 개발했다고 27일 밝혔다. 황 담지체는 황을 안정적으로 담는 그릇 역할을 하는 소재다.
그동안 리튬과 황을 이용한 2차 전지 개발은 '양극(+)'에서 전극이 새어나가는 현상이 자주 발생한다는 단점이 있었다. 이온보다 황의 원가가 낮아 2차 전지 생산단가를 낮출 수 있다는 장점에도 불구하고 쉽게 활용하지 못했다.
연구팀은 50나노미터 이상 크기의 매크로 기공과 50나노미터 이하의 메조 기공을 동시에 지닌 티타늄질화물을 합성해 이같은 단점을 극복했다. 티타늄질화물은 황과 화학작용력이 매우 강하고 전기 전도도가 높아 충전과 방전 시 황이 전극으로부터 빠져나가는 것을 막을 수 있다.
연구 결과, 티타늄질화물 기반의 황 담지체는 매크로 기공과 메조 기공의 구조적 시너지 효과로 인해 다량의 황을 안정적으로 담았다. 또 기존 리튬-이온 2차 전지보다 전류 속도와 전지 수명이 향상된 것으로 나타났다.
이진우 교수는 "리튬-황 2차 전지는 여전히 해결해야 할 문제점이 많아 관련 연구를 지속해야 한다"라며 "이번 연구를 통해 안정적인 수명을 지닌 양극 소재 개발 기술을 확보했다"고 말했다.
이번 연구는 임원광 포스텍 석박사 통합과정이 제1저자로 참여했으며, 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 실렸다.