KAIST 연구팀, 기존보다 30% 높아진 리튬-황 전지 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 기존 리튬-황 전지보다 에너지밀도가 30% 이상 높아진 전지가 나왔다. 가격 경쟁력도 있어 앞으로 여러 분야에 활용할 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 POSTECH 한정우 교수 연구팀, LG에너지솔루션 차세대전지연구센터(센터장 손권남 박사)와 공동연구를 통해 기존보다 에너지 밀도와 수명 안정성을 대폭 늘린 리튬-황 전지를 개발하는 데 성공했다고 19일 발표했다.

리튬-황 전지는 상용 리튬 이온 전지 보다 2~3배 정도 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있을 것으로 기대되고 있는 전지이다. 차세대 이차전지 후보군 중 많은 관심을 받고 있다.

전기자동차는 물론 전자기기와 같이 한 번에 얼마나 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는지가 중요한 응용 분야의 경우, 리튬-황 전지 기술개발의 중요성이 더 커지고 있다.

높은 수준의 에너지 밀도를 지닌 리튬-황 전지를 구현하기 위해서는 전지 내부에 들어가는 무거운 전해액의 사용량을 줄이면서도 높은 용량과 구동 전압을 확보하는 것이 필수적이다.

전지 내부의 전해액 양이 줄어들면 양극에서 발생하는 리튬 폴리 설파이드 용해 현상에 의한 전해액 오염정도가 극심해져 리튬 이온 전도도가 낮아진다. 전기화학 전환 반응 활성이 떨어져 높은 용량과 구동 전압을 구현하는 것이 제한된다.

전 세계적으로 많은 연구팀이 리튬 폴리 설파이드의 지속적 용해 현상과 전환 반응 활성을 개선하기 위해서 다양한 기능성 소재들을 개발해왔다. 다만 현재까지 리튬-황 파우치셀 수준에서의 높은 에너지 밀도와 수명 안정성을 확보하는 데 어려움을 겪고 있다.

파우치셀이란 양극, 음극, 분리막과 같은 소재를 쌓은 후 필름으로 포장된 형태의 배터리를 말한다. 파우치셀은 가장 진보된 형태의 배터리 중 하나로 여긴다. 응용분야에 따라 다양한 모양으로 제작할 수 있다는 장점이 있다.

이진우 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 리튬 폴리 설파이드의 용해 현상과 전기화학 전환 반응성을 대폭 향상할 수 있는 철(Fe) 원자 기반의 기능성 양극 소재를 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 최적화된 전자구조를 지닌 철 원자 기반 기능성 소재를 양극에 도입했다. 리튬 폴리 설파이드의 용해 현상을 효율적으로 억제할 수 있는 효과뿐 아니라 리튬 폴리 설파이드가 불용성의 리튬 설파이드로 전환될 수 있는 반응성 또한 개선할 수 있었다.

이번 연구에서 개발된 양극 기능성 소재를 활용함으로써 기존의 상용화된 리튬이온 배터리 대비 에너지밀도가 약 30% 정도 향상된 제품을 확보하는 성과를 거뒀다.

철(Fe)은 가격이 매우 싼 소재여서 이번 연구에서 개발된 양극 기능성 소재가 앞으로 리튬-황 전지 산업 분야에서 활용될 가능성도 열려있다.

이진우 교수는 “우수한 리튬-황 전지 양극 기능성 소재를 개발함에 있어 전자 교환 현상 유도를 통한 전자구조 제어 기술이 전도유망할 수 있음을 보여줬다ˮ며 “앞으로도 기능성 소재의 전자구조를 제어할 수 있는 다양한 기술개발을 통해 리튬-황 파우치셀 수준에서의 높은 에너지 밀도와 수명 안정성을 확보하려는 노력이 지속돼야 한다ˮ고 말했다.

이진우 교수 연구실의 임원광 박사(퍼시픽 노스웨스트 내셔널 레보터리 박사후 연구원), 박철영 박사과정, POSTECH 한정우 교수 연구실의 정현정 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’ 2022년 12월 17일 자 온라인 판에 실렸다.