성능 7배 끌어올린 2차전지 눈앞

국내 연구팀이 기존 리튬 이온 2차전지를 대체할 리튬-황 2차전지의 성능을 높이는 데 성공했다.

KAIST는 27일 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 서로 다른 크기의 기공을 갖는 구조의 무기소재 합성을 통해 황 담지체를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 다차원 상분리 현상을 동시에 유도해 각기 다른 두 종류, 크기의 기공을 갖는 티타늄질화물을 합성했고 이를 황 담지체로 활용해 우수한 수명 안정성과 속도를 갖는 리튬-황 2차전지를 구현했다.

이 교수는 "리튬-황 2차전지는 여전히 해결해야 할 문제점이 많다"고 지속적인 연구 필요성을 강조했다. 그러나 그는 "이 연구를 통해 안정적인 수명을 지닌 양극 소재 개발의 독보적 기술을 확보했다"고 말했다.

전기차, 스마트 그리드 등의 기술은 대용량 에너지를 제어해야 하는 시스템으로 이를 활용하기 위한 차세대 2차전지 개발의 필요성이 더욱 커지고 있다.

리튬-황 2차전지는 이론적으로 기존 리튬 이온 2차전지보다 약 7배 이상 높은 에너지 밀도 특성을 보인다. 또한 황의 저렴한 가격은 전지 생산 단가를 급격히 낮춰줄 수 있을 것으로 기대되고 있다.

그러나 리튬-황 2차전지 음극과 양극에서 많은 문제점이 있어 상용화에 한계가 있다. 특히 양극에서는 황의 낮은 전기 전도도와 황이 충·방전 과정에서 전극으로부터 새어나가는 현상이 문제점으로 남아있다. 이를 해결하기 위해 황을 안정적으로 담을 수 있는 그릇 역할의 소재, 즉 황 담지체에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

기존 극성 표면의 무기 소재들은 황과 강한 작용력을 갖지만 무기 소재의 구조적 특성 제어를 할 방법이 부족해 황 담지체로 개발하기에는 한계가 있었다. 이번 연구는 독창적인 합성법을 개발함으로써 이 한계점을 극복했다.

연구팀은 문제 해결을 위해 50나노미터 이상 크기의 매크로 기공과 50나노미터 이하의 메조 기공을 동시에 지닌 계층형 다공성 구조의 티타늄질화물 기반의 황 담지체를 개발했다.

티타늄질화물은 황과의 화학적 작용력이 매우 강하고 전기 전도도가 높아 충·방전 과정에서 황이 전극으로부터 빠져나가는 것을 막아주고 황의 전기화학적 산화, 환원 반응을 빠르게 해준다.

연구팀은 매크로 기공과 메조 기공의 구조적 시너지 효과로 인해 많은 양의 황을 안정적으로 담으면서도 높은 수명 안정성 및 속도 특성을 보임을 확인했다.

포스텍 화학공학과 한정우 교수와 공동으로 진행하고 임원광 석박사통합과정이 1저자로 참여한 이 연구는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 15일자 표지논문에 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자