연구성과

화공 김원배 교수팀, 벌집 구조 활용해 리튬-황이온전지 전극 개발

2019-03-21 307

[5배 높은 용량 리튬·황배터리 개발로 전기자동차 대중화 앞당겨]

크기는 줄이고 효율은 획기적으로 높인 성능이 뛰어난 배터리를 만드는 일은 전 세계 과학자들의 숙제다. 특히 전기자동차의 경우엔 배터리의 성능이 산업의 성공 여부와 밀접하게 연결돼 있기 때문에 배터리의 성능을 높이는 일은 매우 중요하다. 국내 연구팀이 층층이 쌓인 벌집 모양의 구조체를 만들어 리튬-황배터리의 성능과 내구성을 크게 향상시켜 주목을 모으고 있다.

화학공학과 김원배 교수와 김윤곤 박사 연구팀은 전도성 고분자 물질을 활용해 벌집 모양의 3차원 전극 구조를 구현해 리튬이온배터리 대비 5배 이상 높은 용량을 갖는 리튬황이온 배터리 전극을 개발해 차세대 전지 연구의 새로운 방향을 제시했다. 이 연구는 에너지·화학분야 국제 학술지인 켐서스켐(ChemSusChem)지 커버 논문으로 최근 게재됐다.

리튬·황배터리 포스터

리튬황이온 배터리는 황화리튬(Li2S)을 양극 물질로 사용해 리튬 금속을 음극으로 사용하는 기존 리튬황 전지의 단점을 보완할 수 있는 신개념의 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다. 그러나 황화리튬은 전도성이 낮아 분극현상이 일어나고, 또 충·방전이 진행되는 과정에서 황이 전해질에 용출돼 전지의 성능 및 수명이 감소한다는 문제점이 있어 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 자기조립 (self-assembly) 방법을 통해 나노와이어가 얼기설기 엮여 있는 벌집 모양의 3차원 구조를 만들어 분극 현상을 해결했다. 분극 현상은 전류의 흐름이 원활하지 않아 전압이 떨어지는 현상을 말하는데 벌집 모양으로 층층이 쌓인 모양의 나노와이어로 인해 리튬이온과 전자가 원활하게 이동할 수 있어 분극현상을 크게 줄여 전극의 성능이 크게 향상됐다.

또 질소가 포함된 전구체를 전극합성에 활용해 합성 과정에서 전극 내 질소 도핑을 유도해 전극과 황 화합물과의 결합을 강화해 황이 새어 나오는 문제도 해결했다. 결합이 강화되면서 전해질 내 황의 용출을 막아 결과적으로 전지의 내구성도 크게 향상시켰다.

김 교수는 “리튬 이차전지의 다양한 연구 방향성을 제시할 수 있었고, 기존 리튬 이차전지의 고질적 문제인 양극재의 용량을 대폭 늘림으로써 짧은 주행거리가 문제점으로 지적되는 전기자동차의 대중화를 앞당길 수 있다”라고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 중견연구자지원사업과 기초연구실지원 사업의 지원을 받아 수행됐다.