이론용량 92% 구현한 리튬황전지 개발
최윤지 기자 2019-03-04 09:05 0
KAIST 생명화학공학과/나노융합연구소 차세대배터리센터 김희탁 교수 연구팀(KAIST 추현원 석사과정, 노형준 박사과정이 1저자로 참여)이 이론용량의 92%를 구현하고 높은 용량 밀도(4mAh/㎠)를 가지는 고성능, 고용량 리튬황전지를 개발했다. 전해질에 따른 전극 위 리튬 설파이드 성장 구조 및 축적 메커니즘(사진. KAIST) 리튬황전지는 리튬이온전지보다 약 6~7배 높은 이론 에너지밀도를 갖고 원료 물질인 황의 가격이 저렴해 리튬이온 전지를 대체할 차세대 리튬 이차전지로 주목받고 있다. 그러나 리튬황전지는 구동 중 방전 생성물인 황화 리튬이 전극 표면에 쌓이고 전극 표면에서 전자전달을 차단해 리튬황전지의 이론용량 구현이 불가능하다는 한계를 갖는다. 이러한 전극 부동화의 문제를 완화하기 위해 과량의 도전제를 전극에 도입해 왔으나 이는 리튬황전지의 에너지 밀도를 크게 낮추는 문제를 발생시키며, 이론용량 구현이 70%를 넘지 못하는 한계를 보였다. 연구팀은 문제 해결을 위해 기존 리튬황전지의 전해질에 사용하던 리튬 염을 대체해 높은 전자기여도를 가지는 음이온 염을 이용했다. 이 전해질 염은 전지 내부의 황화리튬의 용해도를 높여 전극 표면에 3차원 구조의 황화리튬 성장을 유도하고 이는 전극의 부동화를 효율적으로 억제해 높은 용량을 구현할 수 있게 한다. 리튬황전지의 사이클 용량 및 수명 특성(사진. KAIST) 연구팀은 이 전해액 기술을 바탕으로 기존 리튬이온전지와 동등한 수준의 면적당 용량 밀도를 갖는(4mAh/㎠) 고용량 황 전극에 대해 이론용량 92%인 수준을 구현해 기존 리튬황전지 기술의 한계를 넘었다. 또한 리튬 음극 표면에 안정한 부동피막을 형성해 100사이클 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 교수는 “리튬황전지의 한계를 돌파하기 위한 새로운 물리 화학적 원리를 제시했다”라며 “리튬황전지의 이론용량의 90% 이상을 100사이클 이상 돌리면서도 용량 저하 없이 구현했다는 점에서 새로운 이정표가 될 것으로 기대한다”라고 말했다. 한편 이번 연구는 나노융합연구소, 한국연구재단 및 LG화학의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 1월 14일 자 온라인판에 게재됐으며 연구 우수성을 인정받아 에디터스하이라이트에 선정됐다.
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