KAIST, 에너지 저장용량 30% 늘린 ‘리튬황 전지’ 개발

이진우 생명화학공학과 교수팀
“에너지 밀도·수명 안정성 향상”

이진우 KAIST 교수

카이스트(KAIST)는 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 포스텍(POSTECH) 한정우 교수, LG에너지솔루션 차세대전지연구센터와 공동연구를 통해 기존보다 대비 에너지 밀도와 수명 안정성을 대폭 늘린 리튬-황 전지를 개발하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

리튬-황 전지는 상용 리튬 이온 전지에 비해 2~3배 정도 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 차세대 이차전지 후보군 중 많은 관심을 받고 있다. 특히 전기자동차 및 전자기기와 같이 한 번에 얼마나 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는지가 중요한 응용 분야의 경우, 리튬-황 전지 기술개발의 중요성이 더욱 대두되고 있다.

리튬-황 전지를 구현하기 위해서는 전지 내부에 들어가는 무거운 전해액의 사용량을 줄이면서도 높은 용량과 구동 전압을 확보하는 것이 필수적이다. 하지만 전지 내부의 전해액 양이 줄어들면, 양극에서 전해액 오염정도가 극심해져 리튬 이온 전도도가 낮아지고 전기화학 전환 반응 활성이 떨어져 높은 용량과 구동 전압을 구현하는 것이 제한된다.

특히 리튬-황 파우치셀 수준에서의 높은 에너지 밀도와 수명 안정성을 확보하는 데 어려움을 겪고 있다. 파우치셀이란 양극, 음극, 분리막과 같은 소재를 쌓은 후, 필름으로 포장된 형태의 배터리다.

철 원자 주변에 전자공여체와 전자수용체 도입을 통한 전자교환 현상 유도 전략 모식도. [KAIST 제공]

연구팀은 이번 연구를 통해 전기화학 전환 반응성을 대폭 향상할 수 있는 철(Fe) 원자 기반의 기능성 양극 소재를 개발하는 데 성공했다. 연구팀은 최적화된 전자구조를 지닌 철 원자 기반 기능성 소재를 양극에 도입함으로써, 전지 내부에 소량의 전해액 양을 사용하더라도 높은 가역 용량, 구동 전압, 그리고 수명 안정성을 구현할 수 있었다. 특히 이번 연구에서 개발된 양극 기능성 소재를 활용함으로써, 기존 상용화된 리튬이온 배터리 대비 약 30% 정도 향상된 에너지 밀도(베터리의 단위 무게 당 저장할 수 있는 총 에너지의 양)인 리튬-황 파우치셀에서 320W를 확보하는 성과를 거뒀다. 철(Fe)은 가격이 매우 저렴한 소재이기 때문에 이번 연구에서 개발된 양극 기능성 소재가 향후 리튬-황 전지 산업 분야에서 활용될 가능성도 열려있다.

이진우 교수는 “앞으로도 기능성 소재의 전자구조를 제어할 수 있는 다양한 기술개발을 통해, 리튬-황 파우치셀 수준에서의 높은 에너지 밀도와 수명 안정성을 확보해 나갈 것”이라고 말했다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 12월 17일 온라인판에 게재됐다. 구본혁 기자

nbgkoo@heraldcorp.com