KAIST, 이론용량 92% 구현한 리튬-황 전지 개발

[글로벌이코노믹 이수연 인턴기자] KAIST는 김희탁 교수가 주도하는 생명화학공학과·나노융합연구소 차세대배터리센터 연구팀이 이론용량의 92%를 구현하고 높은 용량 밀도 4밀리암페어/제곱센티미터(mAh/cm²)를 가지는 고성능, 고용량 리튬-황 전지를 개발했다고 30일 밝혔다.

추현원 석사과정과 노형준 박사과정이 제 1 저자로 참여한 이 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 14일 자 온라인판에 게재됐고 우수성을 인정받아 에디터스하이라이트에 선정됐다.
리튬-황 전지는 리튬-이온 전지보다 약 6~7배 높은 이론 에너지밀도를 갖고 있다. 또 원료 물질인 황의 가격이 저렴해 리튬-이온 전지를 대체할 차세대 리튬 이차전지로 주목받고 있다.

다만 리튬-황 전지는 구동 중 방전 생성물인 황화 리튬이 전극 표면에 쌓이고 전극 표면에서 전자전달을 차단해 이론용량 구현이 불가능하다는 문제가 있었다.
이러한 전극 부동화의 문제를 완화하기 위해 과량의 도전제를 전극에 도입해 왔으나 이는 리튬-황 전지의 에너지 밀도를 크게 낮추는 문제를 발생시키며 이론용량 구현이 70%를 넘지 못하는 한계를 보였다.

연구팀은 문제 해결을 위해 기존 리튬-황 전지의 전해질에 사용하던 리튬 염을 대체, 높은 전자기여도를 가지는 음이온 염을 이용했다. 이 전해질 염은 전지 내부의 황화리튬 용해도를 높여 전극 표면에 3차원 구조의 황화리튬 성장을 유도한다. 이는 전극의 부동화를 효율적으로 억제해 높은 용량을 구현할 수 있게 해 준다.


연구팀은 이 전해액 기술을 바탕으로 기존 리튬-이온 전지와 동등한 수준의 면적당 용량 밀도(4mAh/cm²)를 갖는 고용량 황 전극에 대해 이론용량 92%인 수준을 구현해 기존 리튬-황 전지 기술의 한계를 넘었다. 또 리튬 음극 표면에 안정한 부동피막을 형성해 100 사이클 이상 구동 시에도 안정적인 수명을 구현했다.

특히 새로운 전해질 설계를 통한 황화리튬의 구조 제어 기술은 다양한 구조의 황 전극 및 구동 조건에서 적용 가능해 산업적으로도 큰 의미를 지닐 것으로 보인다.

김희탁 KAIST 나노융합연구소 차세대배터리센터장·교수는 “리튬-황 전지의 한계를 돌파하기 위한 새로운 물리 화학적 원리를 제시했다”라며 “리튬-황 전지의 이론용량의 90% 이상을 100 사이클 이상 돌리면서도 용량 저하 없이 구현했다는 점에서 새로운 이정표가 될 것으로 기대한다”라고 말했다.


한편 연구는 KAIST 나노융합연구소, 한국연구재단 및 LG화학의 지원을 받아 수행됐다.


이수연 기자 swoon77@g-enews.com