에너지밀도 30% 높고 안정성 우수한 리튬황전지 개발
KAIST 김희탁 교수 "도넛모양 황화리튬양극 이용…수명 600사이클 이상"
(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 반복 충·방전이 가능한 이차전지인 리튬이온전지보다 에너지밀도가 높고 저렴하면서 안정성도 우수한 리튬황이온전지를 개발했다.
한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 김희탁 교수와 팽민예(Fangmin Ye) 연구교수팀은 도넛 모양의 황화리튬을 양극으로 사용한 리튬황이온전지를 제작, 에너지밀도는 리튬이온전지보다 30% 높고 수명도 600사이클 이상 안정적으로 유지되는 것을 확인됐다고 밝혔다.
기존 리튬이온전지는 낮은 에너지밀도로 전기자동차에 사용할 경우 1회 충전 당 가능 주행거리가 짧은 단점이 있다. 이 때문에 이론적으로 높은 에너지밀도를 구현할 수 있는 소재인 리튬황전지 개발 연구가 경쟁적으로 진행됐다.
그러나 리튬황전지는 음극인 리튬금속 전극이 충전과 방전을 반복할 때 취약한 문제가 있어 안정적 수명을 확보하는 데 어려움이 있었다.
이를 해결하기 위해 리튬금속음극 대신 리튬이온전지에 사용되는 사이클 수명이 우수한 흑연음극을 사용하고 양극에는 용량이 높은 황화리튬(Li₂S)을 사용해 에너지밀도를 높이고 수명을 늘리는 연구가 진행됐다.
그러나 이 역시 황화리튬이 고가이고 흑연 음극과 황화리튬 양극의 사이클 수명을 동시에 만족하는 전극 및 전해액 설계기술이 없어 기술적인 한계가 있었다.
연구진은 저가의 황산리튬(Li₂SO₄)을 원재료로 도넛 모양의 황화리튬 양극 활물질을 만들고 고농도 염 전해액을 이용하는 리튬황이온 전지를 구현했다.
내부가 비어있는 도넛 모양의 황화리튬은 표면적이 커져 리튬이온 전달력이 향상돼 높은 충·방전 가역성을 보였고, 고농도 염 전해액은 흑연전극 표면에 안정적인 막을 형성해 우수한 내구성을 보였다.
리튬황이온전지는 리튬이온전지보다 에너지밀도가 30% 높고, 충전용량은 600회 충·방전을 반복한 후에도 90% 정도로 유지되는 것으로 확인됐다.
연구진은 도넛 모양 황화리튬 전극은 저가의 원재료를 이용하고 단일 열처리 공정으로 제조할 수 있으며, 기존 리튬이온전지에 적용할 수 있어 산업적으로 활용이 가능할 것으로 보고 있다.
김희탁 교수는 "저가의 황화합물을 리튬이온전지에 적용해 에너지밀도와 수명을 동시에 향상할 수 있음을 증명했다"며 "리튬황의 새로운 나노구조와 전해액을 사용한 이 연구가 실질적 활용이 가능한 리튬황전지 개발을 촉진할 것으로 기대한다"고 말했다.
KAIST 나노융합연구소와 한국과학기술연구원(KIST), 한국연구재단 기초연구지원사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 재료과학분야 국제학술지 '어드밴스드 사이언스'(Advanced Science. 5월 7일) 온라인판에 게재됐다.
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