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- 높은 에너지 밀도와 더욱 향상된 수명으로 차세대 휴대전화, 드론, 전기차 에 활용될 것으로 기대
DGIST(총장 국양) 에너지공학과 유종성 교수 연구팀은 황(sulfur) 활물질 활물질 : 전지가 방전할 때 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산하는 물질
이 담겨진 다공성 실리카 실리카(silicon dioxide, SiO2) : 이산화규소(SiO2)를 지칭하며 암석이나 토사의 주성분으로 광섬유, 수정진동차 등 하이테크의 기본이 되는 소재. 결정형의 차이에서 석영, 수정, 수정 유리, 실리카겔이 됨
중간층 (interlayer) 기술을 개발했다. 이번 연구는 에너지 밀도와 안정성이 중요한 ‘차세대 리튬-황 전지’ 연구개발 및 상용화 분야의 터닝 포인트가 될 것으로 기대된다.
최근 대용량 에너지 저장장치의 수요가 증가하면서 리튬이온 전지를 대체 할 수 있는 고에너지, 저비용 차세대 이차전지 연구가 활발하다. 이 중 황을 양극소재로 사용하는 리튬-황 전지는 비싼 희토류를 양극소재로 사용하는 기존의 리튬이온 전지보다 수배 이상 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 전기차, 드론 등 고에너지 장치에 활용이 기대된다. 또한, 황은 가격이 저렴하고, 풍부한 자원이면서 유해하지 않아 세계적으로 리튬-황 전지에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
하지만 리튬과의 반응 과정에서 전기에너지를 생산하는 활물질인 ‘황’의 낮은 전도율과 전지의 충전과 방전시 생성되는 다황화물 다황화물 : 황화 알칼리 수용액을 방치하거나, 황화 알칼리 수용액에 황을 녹여서 만드는 화합물. 물에 잘 녹으며, 산을 넣으면 ‘황’의 결합을 분리시키는 특성이 존재함
이 전지의 음극 쪽으로 확산되면서 황 활물질의 손실이 발생해 전지의 용량과 수명이 크게 악화된다는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 리튬-황 전지의 전기전도도를 높이거나, 다황화물을 잘 흡착해 확산을 저지 할 수 있는 물질로 층을 만들어서 황 전극과 분리막 사이(중간)에 새로운 층을 만들어 활용하는 중간층(interlayer) 기술이 적용되어져 왔다.
중간층 기술로 리튬-황 전지의 용량과 수명 향상을 위해 기존에 활용 중인 ‘전도성 탄소’는 황 전극에 전도성을 부여했지만, 극성 리튬 다황화물과의 친화력이 낮아 황의 확산을 막지 못하는 문제가 발생했다. 반면 ‘극성 산화물’을 중간층 소재로 활용하는 경우 극성 리튬 다황화물과의 상호작용이 뛰어나 황의 손실이 억제되었지만, 전도도가 낮아 황의 활용도가 낮아지게 되는 단점이 있다. 또한 기존에 적용된 다양한 중간층 물질들은 공통적으로 두껍고, 산화환원 활성이 없는 중간층의 삽입으로 인해 상용화에 필요한 에너지 밀도와 사이클 수명을 달성하지 못한다는 단점이 있었다.
이에 연구팀은 판상형 다공성 실리카를 합성하고 그 안에 황을 담아서 산화환원 활성이 있는 새로운 다공성 실리카/황 중간층을 최초로 구현했다. 연구팀은 중간층에 담겨진 황 활물질로 전지 면적당 용량이 증가하고, 효과적인 리튬 다황화물 흡착 자리로서 극성 실리카/황 중간층이 존재함으로 리튬-황 전지의 용량과 수명 효율을 극대화 할 수 있다고 예상하였다.
이를 규명하기 위해 실리카/황 중간층을 리튬-황 전지에 적용, 700회의 충전과 방전을 구동해 보았는데, 그 결과 700회 충방전 사이클 이후에 다공성 실리카/황 중간층이, 지금까지 통상적으로 사용 되었던 다공성 탄소/황 중간층 대비 탁월한 장기 안정성을 보여주었다. 특히, 10 mg/cm2 수준의 높은 황 함유량에도 높은 용량과 함께, 탁월한 장기 수명 특성을 증명하였다. 또한 황 담지량 대비 낮은 전해질 양에서도 (낮은 E/S = 4) 우수한 전지 특성을 보여 주어 실용화에도 접근하였다.
DGIST 에너지공학과 유종성 교수는 “지금까지 시도하지 않았던 다공성 실리카 물질의 기공에 황을 담지한 물질을 용량과 수명 향상을 위한 리튬-황 배터리용 중간층 소재로 이용 할 수 있음을 최초로 규명한 연구성과”라며, “차세대 고에너지, 장수명 리튬-황 전지 개발에 대한 새로운 이정표를 제공 할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 미국 아르곤 국립 연구소(ANL)의 아민 카릴(Amine Khalil) 박사팀과 공동협력으로 진행됐으며, DGIST 에너지공학과 유종성 교수 지도하에 학위 받은 이병준 박사가 제1저자로 참여했다. 본 연구는 세계적 학술지로 인정받는 네이쳐지 자매지인 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 8월 8일자 온라인판에 게재됐다.
최승우 기자 kantmania@kyosu.net
