경희대학교(총장 한균태) 식물·환경신소재공학과 이정태 교수, 기계공학과 김두호 교수 연구팀이 리튬-황 배터리의 상용화 실마리를 제시했다. 리튬-황 배터리는 현재 상용화된 리튬 이온 배터리 대비 용량이 두 배 이상 높아 차세대 전기 자동차용 배터리로 주목받고 있다. 하지만 리튬-황 배터리는 충·방전될 때 황이 리튬 설파이드로 환원되는 과정이 매우 느린 한편 에너지 효율이 낮고 수명이 짧다는 문제점이 있다.

문제 해결을 위해 연구팀은 새로운 방법으로 리튬-황 배터리 설계에 나섰다. 이 방법은 리튬 설파이드 결정에 셀레늄과 텔루륨을 도핑하는 것이다. 기존 리튬-황 배터리 연구와는 다르게 리튬 설파이드의 화학적 결합과 고체 상변화 과정에서 일어나는 상호작용에 집중해 의미 있는 결과를 도출했다. 이번 논문은 연구의 탁월성을 인정받아 세계적인 학술지<Advanced Energy Materials(IF=29.698)>에 게재됐다.

연구팀은 리튬 설파이드 결정에 셀레늄과 텔루륨을 도핑해 리튬 설파이드 환원 과정을 촉진했다. 셀레늄과 텔루륨 도핑으로 형성된 이온 반지름은 리튬 설파이드 결정 속 결합의 길이를 늘어나게 만들어 결합의 세기를 약하게 유도한다. 이에 따라 충전 및 방전 과정 중 리튬의 이탈과 흡착이 더 수월하게 일어나, 리튬 설파이드의 상변화 과정이 더 유연하게 일어난다. 성능적 개선도 있었다. 셀레늄과 텔루륨 도핑 이전과 전압을 비교해봤을 때 연구진이 개발한 배터리가 1.05배 더 높은 전압을 기록했다. 용량 역시 도핑 후 1.2배 늘어났다.

이번 연구 결과는 리튬-황 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 발단을 제시했다. 특히, 이번 연구에서 제안한 전략은 고에너지 밀도의 리튬–황 배터리 설계 가능성을 제시해 의미가 크다. 원자 수준에서 양극 소재 구조 변화와 특성 강화를 이끄는 전략은 리튬–황 배터리의 성능을 높이는 한편 비용을 절감하는 데 중요한 역할을 한다.

연구진은 리튬-황 배터리 상용화를 위한 후속 연구를 계획하고 있다. 개발한 전략을 활용해 배터리 구조에 제한을 두거나, 인공지능을 활용해 배터리 성능을 예측하려 한다. 연구를 진행한 이정태 교수는 “이번 연구는 리튬-황 배터리의 가능성을 확인한 결과”라고 평했다. 김두호 교수는 “경희대 구성원이 모여 의미 있는 결과를 이뤘다. 사전 연구가 축적된 만큼 이를 활용해 차세대 전지 상용화를 위해 노력할 것”이라고 말했다.

방완재 다른기사 보기