12분 만에 완충 가능 '차세대 리튬-황 전지' 개발

12분 만에 완전 충전이 가능한 차세대 리튬-황 전지를 개발한 유종성 DGIST 에너지공학과 교수(왼쪽), 유정훈 석박사통합과정생. DGIST 제공

12분 만에 완전 충전이 가능한 차세대 리튬-황 전지가 개발됐다. 리튬-황 전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 

대구경북과학기술원(DGIST)은 유종성 에너지공학과 교수팀이 미국 아르곤 국립연구소와 공동으로 리튬-황 전지의 충전속도를 크게 개선할 수 있는 신기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 연구팀은 기존 리튬-황 전지가 상용화에 어려움을 겪었던 느린 충전속도 문제를 해결하기 위해 질소를 첨가한 새로운 다공성 탄소 소재를 활용했다.

리튬이온 전지는 전기차와 같은 친환경 기술에 필수적이지만 에너지 저장 용량이 낮고 가격이 높은 단점이 있다. 이에 비해 황 나노물질을 이용해 만든 리튬-황 전지는 에너지 밀도가 높고 황이 저렴한 소재라 차세대 배터리로 주목받고 있다. 

하지만 리튬-황 전지를 급속충전할 때 황의 활용도가 떨어지고 전지 용량이 줄어드는 문제가 있다. 또 방전 과정에서 황이 분해돼 생성된 '리튬 폴리설파이드'가 전지 내부를 떠돌며 성능을 저하시킨다. 이를 해결하기 위해 다공성 탄소 구조체에 황을 담아 전지를 제작하는 방식이 연구되고 있지만 여전히 상용화 수준의 성능을 확보하지 못했다.

유 교수팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 질소를 포함한 고흑연성·다중다공성 탄소를 새롭게 합성했다. 이번에 개발한 탄소 소재는 'ZIF-8(Zeolitic Imidazole Framework-8)'이다. ZIF-8은 금속 이온과 유기 리간드가 결합해 형성된 금속-유기 골격체로 높은 열적∙화학적 안정성과 독특한 세공 구조를 가진 물질이다. 연구팀은 탄소에 마그네슘을 넣었다. 마그네슘은 고온에서 ZIF-8의 질소와 반응해 탄소의 구조를 더 안정적이고 견고하게 만들었다. 덕분에 탄소가 황을 더 많이 담을 수 있을 뿐 아니라 황과 전해질의 접촉을 원활히 해 전지의 성능을 크게 높였다.

연구팀은 개발한 고흑연성·다중다공성 탄소를 리튬-황 전지의 양극에 적용해 급속 충전 시 높은 에너지 용량을 유지하는 데 성공했다. 개발한 전지는 완전 충전 시간이 단 12분에 불과한 급속충전 조건에서도 기존 대비 1.6배 향상된 성능을 나타냈다. 질소가 탄소 표면에 도핑돼 리튬 폴리설파이드의 이동을 효과적으로 억제함으로써 1000회 이상의 충·방전 후에도 82%의 용량을 유지하는 안정성을 보였다.

유 교수는 “이번 연구는 마그네슘을 활용한 간단한 합성법으로 리튬-황 전지의 충전 속도를 개선하는 데 초점을 맞췄다”면서 “이 연구를 기반으로 리튬-황 전지의 상용화가 앞당겨지기를 기대한다”고 밝혔다. 유정훈 석박사통합과정생과 이병준 연구원이 참여한 이번 연구는 국제학술지 'ACS 나노'에 게재됐다.

<참고자료>
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c09892

[이채린 기자 rini113@donga.com]