국내 연구팀이 모세관 현상을 이용한 리튬-황 전지 소재를 개발했다.
KAIST 신소재공학과 김도경 교수 연구팀은 종이가 물을 흡수하는 모세관 현상처럼 탄소나노섬유 사이에 황을 잡아두는 방식을 통해 리튬-황 기반 2차전지 전극 소재를 개발하는데 성공했다.
연구성과는 국제 학술지인 나노레터스 2018년 18호에 게재됐다.
최근 전기자동차(EV), 대용량 ESS(Energy Storage System) 수요가 급증함에 따라 기존 LiB(Lithium-ion Battery)를 뛰어넘는 높은 에너지 밀도의 2차전지 개발 필요성이 커지고 있다.
리튬-황 전지는 차세대 고용량 LiB로 각광받고 있으며 이론적으로 LiB보다 에너지 밀도가 약 6배 이상 높은 것으로 알려졌다.
하지만, 황의 낮은 전기전도도, 충전과 방전으로 발생하는 부피 변화, 리튬 폴리설파이드 중간상이 전해질로 녹아 배출되는 현상이 상용화의 걸림돌로 지적돼왔다.
이를 해결하기 위해 다공성 탄소 분말로 황을 감싸 전기전도도를 향상시키고 부피변화를 완화시키며 폴리설파이드가 녹는 것을 방지하는 황-탄소 전극 개발에 대한 연구가 진행됐으나 구형의 0차원 탄소 분말들은 입자 간 무수한 접촉 저항이 발생하고 황을 감싸는 합성과정이 까다로울 뿐만 아니라 입자들을 연결하기 위해 고분자 바인더를 사용해야 한다는 단점이 있다.
KAIST 연구팀은 전기방사를 통해 대량으로 1차원 형태의 탄소나노섬유를 제작하고 고체 황 분말이 분산된 슬러리에 적신 뒤 건조하는 간단한 방법을 통해 접촉 저항을 대폭 줄인 황-탄소 전극을 개발했다.
개발 후 주사전자현미경(SEM)을 통해 종이가 물을 흡수하듯 고체 황이 전기화학 반응 중 중간산물인 액체 리튬 폴리설파이드로 변화하고 탄소나노섬유들 사이에 일정한 모양으로 맺힌 후 충전과 방전 과정에서 형태를 유지하며 밖으로 녹아나가지 않음을 확인했다.
또 기존 연구결과가 단위면적당 황 함량이 2mg 이내인 것에 비해 최신 연구에서는 10mg 이상을 달성해 평방센티미터당 7mAh의 높은 면적당용량을 기록했다.
기존 LiB의 면적당용량인 1-3mAh를 능가하는 값으로 파악되고 있다.
김도경 교수는 “고용량 리튬-황 상용화에 한단계 다가선 연구성과”라며 “EV 뿐만 아니라 무인항공기(UAV) 및 드론 등에도 적용이 가능할 것으로 기대하고 있다”고 강조했다. <강윤화 기자>