반으로 접거나 잘라도 계속 작동하는 리튬황 배터리

파우치 형태의 셀을 접거나(위) 잘라도(아래) 전원 공급이 끊기지 않을 정도로 안정적인 리튬-황 배터리. ACS Energy Letters 제공

최근 리튬이온 배터리 화재 사고 등이 잇따르며 이를 개선하거나 대체할 배터리 기술에 대한 요구가 커지고 있다. 중국 연구팀이 반으로 접거나 잘라도 계속 작동할 정도로 안정적인 리튬-황(Li-S) 배터리를 개발하는 데 성공했다.

리핑 왕 중국 전자과학기술대학교 교수팀이 리튬-황 배터리의 음극 부식 문제를 해결할 코팅법을 개발해 성능과 안전성을 개선하고 연구결과를 13일 국제학술지 'ACS 에너지 레터스'에 공개했다.

황(S)은 기존 리튬이온 배터리에 사용되는 다른 재료보다 비용이 저렴하고 더 많은 에너지를 저장할 수 있을 것으로 기대돼 배터리 음극 재료로 주목받고 있다.

선행 연구에 따르면 음극에 황화철(FeS2)을 사용한 배터리 연구에서 탄산염 기반 전해질을 사용해 고온에서도 안정적인 배터리를 구현하려는 시도가 있었지만 음극의 황화철이 전해질에 부식되면서 침전물을 형성해 배터리 용량이 급감하는 문제가 있었다.

연구팀은 먼저 음극과 전해질 사이에 보호 코팅층을 추가해 부식을 줄일 수 있는 폴리머(고분자) 재료를 탐색했다. 다양한 폴리머로 황화철 음극을 코팅하고 전기화학 성능을 테스트한 결과 폴리아크릴산(PAA)으로 코팅된 음극이 300회 충·방전 과정 후에도 용량을 유지하며 가장 우수한 성능을 보이는 것이 확인됐다.

연구팀은 PAA 코팅 황화철 음극을 활용해 파우치형과 동전형 배터리 셀 프로토타입을 제작했다. 파우치 형태 셀은 100회 충·방전을 거친 후에도 용량이 감소하지 않았고 접어서 반으로 자른 후에도 작동이 될 정도로 안정적이었다. 동전 모양 셀은 300회 충·방전 테스트 후에도 용량의 72%를 유지했다.

추가 실험 결과 연구팀이 개발한 음극 폴리머 코팅법은 리튬-몰리브데넘(Li-Mo), 리튬-바나듐(Li-V) 배터리에 적용했을 때도 음극 수명을 증가시키는 효과를 보였다. 연구팀은 "리튬-황 배터리뿐 아니라 다른 금속 황화물을 사용한 배터리에도 널리 적용할 수 있다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1021/acsenergylett.4c01907

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]