국내 연구진, 新전극물질로 차세대 배터리 수명·안정성 늘려

조선비즈
  • 황민규 기자
    입력 2020.05.19 09:57

    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
    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.

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