'200번 넘게 써도 그대로' 전고체 리튬-황 배터리 개발

POSTECH 화학과 박문정 교수·김보람 박사팀

POSTECH 화학과 박문정 교수·김보람 박사팀이 개발한 전고체 리튬-황 배터리가 국제 학술지인 '머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)'의 표지논문에 선정됐다. POSTECH 제공

[파이낸셜뉴스] 포항공과대학교(POSTECH) 화학과 박문정 교수·김보람 박사팀이 화재 위험이 없고 200번 넘게 사용해도 성능을 유지한 전고체 리튬-황 배터리를 개발했다. 이는 차세대 전지로 각광받고 있는 리튬-황 배터리의 액체 전해질을 고체 전해질로 교체해 전고체 배터리의 새로운 패러다임을 제시한 것이다.

18일 연구진에 따르면, 이번에 개발한 고체 전해질 기반 전고체 배터리는 25도에서 뛰어난 이온 전도도(10-4 S/cm)와 리튬 전이율(0.94)을 기록했다. 또한, 25~150도까지 넓은 온도 범위에서도 높은 탄성계수(0.12 GPa)를 가지며, 최대 6V의 전압에서도 작동하는 등 우수한 물리·화학적 안정성을 보였다. 무엇보다 200회 이상 사용된 후에도 600mAh/g라는 높은 방전 용량을 유지하며 높은 내구성과 효율을 보였다.

박문정 교수는 18일 "액체 첨가제를 사용하지 않고 리튬-황 배터리에 고체 전해질을 성공적으로 적용한 것은 이번이 처음"이라며, "이번 연구가 미래의 리튬 배터리 연구에 큰 도움이 되길 바란다"고 말했다.

소방청 발표에 따르면 2022년 작년 한 해 동안 발생한 전기차 화재 발생 건수는 44건이다. 이는 전년도인 2021년에 발생한 24건보다 약 두 배 많으며, 올해 상반기에 발생한 전기차 화재 사고는 이미 40건을 넘었다.

전고체 배터리는 고체 전해질을 사용해 전해질 누출 위험이 없고 에너지 밀도를 높일 수 있다. 하지만 고체 전해질이 액체 전해질에 비해 이온 전도도가 낮아 출력이 낮다는 한계가 있다.

연구진은 크기가 서로 다른 두 종류의 나노 입자가 격자 구조화된 이종 나노입자 전해질을 합성해 이온 전도성과 기계적 안정성을 동시에 향상시켰다.

리튬 배터리에 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하면 폭발의 위험은 낮아지지만 낮은 이온 전도성과 충전 속도가 문제다. 이번 연구에서 연구진은 안과 밖의 분자 구성이 다른 두 코어-쉘 나노 입자를 조립해 초격자 고체 전해질을 만들었다. 촘촘한 격자 구조로 리튬 이온이 지나가는 통로의 폭을 좁혀 이온이 흩어지지 않고, 잘 이동할 수 있도록 만든 것이다. 또 이 초격자 구조를 조절하여 리튬 이온 수송에 최적화된 고체 전해질을 개발하는 데 성공했다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 전고체 리튬-황 배터리를 재료공학 분야 국제 학술지인 '머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)'에 발표했다. 학술지는 이번 연구개발의 우수성을 인정해 표지 논문(front cover)으로 게재할 예정이다.
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