[ 시티저널 허송빈 기자 ] KAIST 신소재 공학과 김도경 교수 연구팀이 종이가 물을 흡수하는 모세관 현상처럼 탄소 나노 섬유 사이에 황을 잡아두는 방식으로 리튬-황 기반 이차 전지 전극 소재를 개발했다.

리튬-황 전지는 차세대 고용량 리튬 이차 전지로 각광 받고 있다. 이론적으로 리튬 이온 전지보다 약 6배 이상 높은 에너지 밀도를 갖는다.

하지만 황의 낮은 전기 전도도, 충전과 방전으로 발생하는 부피 변화, 리튬 폴리설파이드 중간상이 전해질로 녹아 배출되는 현상은 리튬-황 전지 상용화의 걸림돌이다.

이를 해결하기 위해 다공성 탄소 분말로 황을 감싸 전기 전도도를 향상시키고, 부피 변화를 완화시켜 폴리설파이드가 녹는 것을 방지하는 황-탄소 전극 개발 연구가 주로 진행돼 왔다.

그러나 이런 구형의 0차원 탄소 분말은 입자의 무수한 접촉 저항이 발생하고 황을 감싸는 합성 과정이 까다로울 뿐 아니라 입자를 연결하기 위해 고분자 바인더를 사용해야 한다는 단점이 있다.

연구팀은 기존 탄소 재료의 단점을 극복하기 위해 전기 방사를 통해 대량으로 1차원 형태의 탄소 나노 섬유를 제작하고, 고체 황 분말이 분산된 슬러리(slurry)에 적신 뒤 건조하는 간단한 방법을 통해 접촉 저항을 대폭 줄인 황-탄소 전극을 개발했다.

연구팀은 주사 전자 현미경(SEM)으로 현상을 관찰했다.

종이가 물을 흡수하듯 고체 황이 전기 화학 반응 중 중간 산물인 액체 리튬 폴리설파이드로 변화하고, 이들이 탄소 나노 섬유 사이에 일정한 모양으로 맺힌 후 충전과 방전 과정에서 그 형태를 유지하며 밖으로 녹아나가지 않음을 확인했다.

이는 복잡하게 황을 감싸지 않고도 황이 탄소 섬유들 사이에 효과적으로 가둬지는 것을 발견한 것이다.

또 기존 연구 결과가 단위 면적당 황 함량이 2mg/cm-2 이내인 것에 비해 이번 연구에서는 10mg/cm-2이 넘는 황 함량을 달성했다. 이를 기반으로 7mAh/cm-2의 높은 면적당 용량을 기록했다.

이는 기존 리튬 이온 전지의 면적당 용량인 1~3mAh/cm-2를 능가하는 값이다.

연구팀이 개발한 면적당 용량이 우수한 저중량, 고용량 리튬-황 기반 이차 전지 전극 소재로 리튬-황 전지의 상용화를 앞당길 수 있을 전망이다.