리튬이온전지 대비 30% 에너지 저장량 높은 차세대 이차전지 나와

KAIST, 값싼 철 원자 기반 '리튬-황 전지' 개발
방전 후 부산물 억제, 소량 전해액으로 높은 성능

KAIST는 철 원자 기반의 기능성 양극 소재를 개발해 차세대 이차전지인 '리튬-황 전지'의 성능과 수명 안정성을 높이는 데 성공했다. KAIST 제공

에너지 밀도와 수명 안정성을 높일 수 있는 리튬-황 전지 기술이 개발됐다.

KAIST는 이진우 교수 연구팀이 한정우 포스텍 교수 연구팀, LG에너지솔루션 등과 공동으로 리튬-황 전지의 성능과 수명을 향상시키는 철 기반의 양극 소재를 개발했다고 19일 밝혔다.

리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지보다 2∼3배 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 차세대 이차전지로 각광받고 있다. 전기차나 전자기기 등은 한 번에 얼마나 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는지가 중요해 리튬-황 전지의 필요성이 커지고 있다.

하지만 양극에서 발생하는 활물질 용출 현상과 전기화학 반응성 문제로 인해 용량, 전압, 수명 안정성 등이 낮고, 리튬이온전지와 경쟁할 수 있는 수준의 에너지 밀도를 갖춘 파우치 셀을 구현하기 쉽지 않다. 파우치셀은 양극, 음극, 분리막과 같은 소재를 쌓은 후, 필름으로 포장된 형태의 배터리를 의미한다.

연구팀은 황이 전해액에 녹지 않도록 철 원자 기반의 기능성 소재를 양극에 도입해 황이 방전되고 난 후의 산물인 '리튬 폴리 설파이드'의 용해 현상을 효율적으로 억제하는 데 성공했다. 또한 리튬 폴리 설파이드가 불용성의 리튬 설파이드로 전환되도록 반응성을 개선했고, 전지 내부에 소량의 전해액을 사용하더라도 높은 가역용량, 구동 전압, 수명 안정성 등을 구현했다고 연구팀은 설명했다.

실제로, 개발된 철 기반의 양극 소재를 활용한 결과, 상용 리튬이온 배터리보다 30% 가량 향상된 에너지밀도를 확보했다.

이진우 KAIST 교수는 "철은 매우 저렴한 소재로 리튬-황 전지 상용화에 기여할 것"이라며 "리튬-황 파우치셀 수준에서 높은 에너지 밀도와 수명 안정성을 확보하기 위한 연구를 지속할 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(지난달 17일자)' 온라인판에 게재됐다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr