차세대 리튬-황 배터리, 2배 이상 수명 올렸다…`이중층 보호막` 개발

DGIST, 두 개층으로 구성된 표면 적응형 보호막
리튬금속 음극 변화에 적응..신축성 지녀 보호막 방지

대구경북과학기술원은 리튬-황 배터리 수명을 기존 배터리보다 2배 이상 향상시킬 수 있는 새로운 보호막 기술을 개발했다. 개발된 이중층 보호막의 이미지 모습. DGIST 제공

이홍경(왼쪽)DGIST 에너지공학과 교수, 임민홍 석박사통합과정생

차세대 배터리 기술로 주목받고 있는 리튬-황 배터리의 수명을 향상시킬 수 있는 보호막 기술이 나왔다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 이홍경 에너지공학과 교수와 LG에너지솔루션이 이용민 연세대 교수 연구팀과 함께 리튬-황 배터리 수명을 기존 배터리보다 2배 이상 늘릴 수 있는 '표면 적응형 이중층 보호막(APL)'을 개발했다고 18일 밝혔다.

리튬-황 배터리는 기존 리튬이온 배터리를 능가하는 높은 에너지밀도를 구현해 효율성과 안정성을 크게 높일 수 있어 기술개발이 활발하다. 하지만 리튬금속 음극의 불안정성과 전해질 소모 등으로 수명이 짧고, 리튬금속 음극 표면에 쌓이는 덴드라이트(나뭇가지 모양의 결정체) 형성과 전해질의 빠른 소모로 배터리 효율을 떨어뜨려 실용화에 장애물이 되고 있다.

연구팀은 폴리머 물질을 내부층으로 사용해 리튬금속 음극 표면과 계면 에너지를 줄이고, 외부 보호층으로 전해질과 리튬-황 배터리의 충방전 과정에서 생성되는 화합물인 리튬 폴리설파이드가 내부로 침투하지 못하게 막아 배터리 성능과 수명을 개선하는 표면 적응형 이중층 보호막을 개발했다. 이 보호막은 리튬이 나가고 들어올 때 생기는 리튬금속 음극의 변화에 잘 적응해 보호막 기능을 오랫동안 유지함으로써, 기존 배터리보다 두 배 이상 오래 사용할 수 있다. 특히 보호막이 잘 늘어나고 표면에 잘 붙어 초기 리튬이 나올 때 보호막이 벗겨지는 것을 막아 배터리 성능을 높일 수 있다.

이홍경 DGIST 교수는 "이번 연구는 리튬-황 배터리의 실용화에 한 걸음 다가서는 것으로, 향후 다양한 보호막 소재를 대상으로 최적의 조합을 찾는 연구를 지속해 나갈 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 재료공학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(3월호)'에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr