KAIST 김희탁 교수 연구팀…음이온 염으로 부동화 문제 해결

[ 시티저널 허송빈 기자 ] KAIST 생명화학공학과·나노융합연구소 차세대 배터리 센터 김희탁 교수 연구팀이 이론 용량의 92%를 구현하고 높은 용량 밀도를 갖는 고성능, 고용량 리튬-황 전지를 개발했다.

리튬-황 전지는 리튬-이온 전지보다 약 6~7배 높은 이론 에너지 밀도를 갖고, 원료 물질인 황의 가격이 저렴해 리튬-이온 전지를 대체할 차세대 리튬 이차 전지로 주목 받는다.

그러나 리튬-황 전지는 구동 중 방전 생성물인 황화 리튬이 전극 표면에 쌓이고, 전극 표면에서 전자 전달을 차단해 리튬-황 전지의 이론 용량 구현이 불가능하다는 한계가 있다.

이런 전극 부동화 문제를 완화하기 위해 과량의 도전제를 전극에 도입해 왔지만, 리튬-황 전지의 에너지 밀도를 크게 낮추는 문제가 발생하며, 이론 용량 구현이 70%를 넘지 못하는 한계를 보였다.

연구팀은 문제 해결을 위해 기존 리튬-황 전지의 전해질에 사용하던 리튬 염을 대체해 높은 전자 기여도를 갖는 음이온 염을 이용했다.

이 전해질 염은 전지 내부의 황화 리튬의 용해도를 높여 전극 표면에 3차원 구조의 황화 리튬 성장을 유도하고, 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 전극 이론 용량 92%인 수준을 구현해 기존 리튬-황 전지 기술의 한계를 넘었다.

또 리튬 음극 표면에 안정한 부동 피막을 형성해 100 사이클 이상 구동 때에도 안정적인 수명을 구현했다.

특히 새로운 전해질 설계를 통한 황화 리튬의 구조 제어 기술은 다양한 구조의 황 전극과 구동 조건에서 적용 가능해 산업적으로도 의미가 있다.

추현원 석사 과정과 노형준 박사 과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications) 1월 14일 자 온라인 판에 실렸고, 우수성을 인정 받아 에디터스 하이라이트에 선정됐다.

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