KAIST, 에너지 밀도 30% 높은 리튬-황 전지 개발… “차세대 전지 시대 가까워진다”

이진우 KAIST 생명화학공학 교수 연구진

이진우 KAIST 생명화학공학과 교수가 이끄는 국내 연구진이 차세대 이차전지로 주목받는 리튬-황 전지의 에너지 밀도를 크게 높였다. 왼쪽부터 이진우 KAIST 생명과학공학과 교수, 한정우 포스텍 화학공학과 교수, 임원광 KAIST 생명과학공학과 연구원, 박철영 KAIST 생명화학공학과 박사과정 연구원, 정현정 포스텍 박사과정 연구원. /KAIST

국내 연구진이 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 높은 리튬-황 전지를 개발했다. 전기차, 휴대용 전자기기처럼 큰 에너지 용량이 필요한 분야에서 활용할 수 있을 것으로 기대받는다.

KAIST는 이진우 생명화학공학과 교수가 이끄는 국내 연구진이 지난달 17일 국제 학술지 `어드밴스드 머티리얼즈’에 리튬-황 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있는 철 원자 기반의 촉매를 개발한 연구 결과를 발표했다고 19일 밝혔다. 리튬-황 전지는 기존에 쓰이던 리튬이온 전지보다 에너지 밀도를 2~3배 높일 수 있어 차세대 이차전지 후보로 관심받고 있다.

이차전지의 에너지 밀도를 높이려면 구성 요소 중 가장 많은 무게를 차지하는 전해액의 양을 줄이면서, 큰 용량과 높은 전압을 확보해야 한다. 그러나 리튬-황 전지에서는 전해액 양이 줄면 양극 소재로 쓰이는 황이 전해액에 녹아 만들어지는 리튬폴리설파이드에 의한 오염이 심해진다. 전해액이 오염되면 리튬 이온의 전기 전도도가 낮아지고, 전기화학 반응이 잘 일어나지 않아 용량과 전압을 확보하기 어렵다.

국내 연구진이 개발한 리튬-황 전지용 촉매의 작동 원리. 전해액에 녹아 성능 저하를 유도하는 리튬 폴리 설파이드를 흡착해 높은 에너지 밀도를 만들 수 있다. /KAIST

국내 연구진은 리튬-황전지 양극의 황이 전해액에 녹지 않도록 철 원자를 기반으로 한 촉매를 설계해 문제를 해결했다. 철 원자 기반 촉매는 전해액에 녹는 리튬폴리설파이드를 흡착할 수 있는 전자 구조로 만들어졌다. 연구진이 개발한 촉매를 양극에 넣으면 리튬폴리설파이드가 전해액으로 용해되지 않고, 양극에 그대로 남아 전해액의 오염을 막을 수 있다. 또 반응성이 좋아져 전지 안에에 전해액을 조금 쓰더라도 큰 용량, 높은 구동 전압, 긴 수명을 나타냈다.

국내 연구진이 개발한 촉매 기반 리튬-황 전지를 파우치셀로 만들었을 때 에너지 밀도는 ㎏당 320와트시(Wh)로 기존 리튬이온전지와 비교해 30% 가량 커졌다. 파우치셀은 이차전지의 주요 구성인 양극, 음극, 분리막을 층으로 쌓아 필름으로 포장하는 방식이다. 사용 용도에 따라 다양한 모양으로 만들 수 있다는 장점이 있어 배터리 형태 중 가장 진보된 형태로 꼽힌다.

이진우 KAIST 생명화학공학과 교수는 “앞으로도 다양한 기능성 소재의 전자구조를 제어할 수 있는 기술을 개발하겠다”며 “리튬-황 파우치셀의 높은 에너지 밀도와 수명 안정성을 확보하려는 노력은 계속돼야 한다ˮ고 말했다.

참고자료

Advanced Materials, DOI : https://doi.org/10.1002/adma.202208999

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