성균관대, 고용량 고안정성 리튬황전지용 양극소재 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 전기자동차, 신재생에너지 저장장치 등에 필요한 고용량 2차 전지 개발 경쟁이 치열해지고 있는 가운데 국내 연구진이 차세대 2차전지 후보물질 중 하나인 리튬황전지의 안정성을 높이고 수명을 늘려주는 새로운 공정기술을 개발했다.

성균관대 박호석 교수 연구팀은 자연계의 얼음 결정이 형성되는 현상을 나노소재 합성에 응용, 나노소재를 스프레이처럼 뿌리고 급속 냉동하는 '분무 동결' (Spray Frozen, SF) 합성법을 개발했다고 1일 발표했다.

연구팀은 이 합성법을 리튬황전지 양극소재에 개발에 적용, 다공성 그래핀 볼에 막대모양 황이 꽂혀서 밤송이 모양으로 형성되는 황-그래핀 혼합 입자를 합성하는 데 성공했다. 황과 그래핀이 강하게 결합함으로써 황이 전해액으로 녹아들지 않게 잡아주면서 전기전도성까지 확보하게 된 것이다.

리튬황전지는 현재 널리 쓰이는 리튬이온전지보다 이론적으로 에너지 저장능력이 5배 가량 높은 데다 자원이 풍부한 황을 활용해 가격을 낮출 수 있다. 하지만 황은 전기전도성이 낮고 전해액으로 녹아들면서 전지의 성능을 떨어뜨리는 문제가 있어 리튬황전지의 상용화에는 한계가 있었다.

이번에 개발한 '분무 동결' 합성법은 황과 그래핀이 결합된 공 모양의 입자를 합성하고 내부 기공 구조를 정밀하게 제어할 수 있어 이같은 단점을 해결했다.

연구팀은 이번에 개발한 리튬황전지용 양극소재는 최대 1269.1mAh/g 용량을 보였고, 충‧방전 500회 후에도 사이클 당 용량 감소율이 약 0.08%로 장기안정성 테스트에서도 우수성을 보였다고 밝혔다.

박호석 교수는 “이 연구에서 고안한 분무 동결 합성법은 다양한 나노소재의 복합체 구성과 개방형 다공성 구조의 제어에 응용될 수 있다”며, “이 합성법의 우수성을 보여주기 위해 개발한 리튬황전지용 양극 소재는 높은 에너지용량이 요구되는 차세대 전자기기, 전기차 등에 활용될 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.

이 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 미래소재디스커버리사업과 한국철도기술연구원 주요사업의 지원으로 수행되었다. 나노과학기술 분야 저명한 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 3월 14일 공개, 표지논문으로 선정됐다.