국내 연구진, 양극 기능성 소재 적용 ‘고성능 리튬-황 전지’ 개발

국내 연구진이 가격이 저렴한 철(Fe)을 소재로 활용해 개발한 양극 기능성 소재를 적용해 기존 대비 에너지 밀도와 수명안정성을 대폭 늘린 리튬-황 전지를 개발했다.

카이스트(KAIST) 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀은 포스텍 한정우 교수 연구팀, LG에너지솔루션(LG엔솔) 차세대전지연구센터와 공동연구를 통해 리튬 폴리 설파이드의 용해 현상과 전기화학 전환 반응성을 향상할 수 있는 철(Fe) 원자 기반의 기능성 양극소재를 개발하는 데 성공했다.

리튬-황 전지는 상용 리튬이온 전지에 비해 2~3배 정도 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 차세대 이차전지로 주목을 받고 있다.

특히, 전기차(EV) 및 전자기기와 같이 한 번에 얼마나 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는지가 중요한 응용 분야의 경우 리튬-황 전지 기술개발의 중요성이 대두되고 있다. 

높은 수준의 에너지 밀도를 지닌 리튬-황 전지를 구현하기 위해서는 전지 내부의 전해액 사용량을 줄이면서도 높은 용량과 구동 전압을 확보해야 하나, 전지 내부의 전해액 양이 줄면 양극에서 발생하는 리튬 폴리 설파이드 용해 현상에 의한 전해액 오염정도가 극심해져 리튬 이온 전도도가 낮아지고 전기화학 전환 반응 활성이 떨어지는 단점이 있다.

전세계적으로 많은 연구진이 리튬 폴리 설파이드의 지속적인 용해 현상 및 전환 반응 활성을 개선하기 위해서 다양한 기능성 소재들을 개발해왔으나, 현재까지는 리튬-황 파우치셀 수준에서의 높은 에너지 밀도와 수명안정성을 확보하는 데 어려움을 겪고 있다. 

파우치셀은 양극, 음극, 분리막과 같은 소재를 쌓은 후 필름으로 포장된 형태의 배터리로 응용분야에 따라 다양한 형태로 제작할 수 있는 장점이 있다.

공동 연구팀은 이번에 개발한 최적화된 전자구조를 지닌 철 원자 기반 기능성 소재를 양극에 도입해 리튬 폴리 설파이드의 용해 현상을 억제할 수 있고, 리튬 폴리 설파이드가 불용성의 리튬 설파이드로 전환될 수 있는 반응성도 개선할 수 있었다고 밝혔다.

특히 이번 연구에서 기존의 상용화된 리튬이온 배터리 대비 약 30% 정도 향상된 에너지 밀도인 A h 수준의 리튬-황 파우치셀에서 320W h kg-1 이상의 에너지 밀도(베터리의 단위 무게 당 저장할 수 있는 총 에너지의 양)를 확보하는 성과를 거뒀다고 전했다. 

이진우 교수는 “우수한 리튬-황 전지 양극 기능성 소재를 개발함에 있어 전자 교환 현상 유도를 통한 전자구조 제어 기술이 전도유망할 수 있음을 확인했다”고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구와 LG엔솔의 지원을 받아 진행됐다. 이진우 교수 연구팀과 LG엔솔은 산학협력을 통해 리튬 폴리 설파이드의 용해 현상 억제 및 전기화학 전환 반응성 개선 등을 위한 연구를 진행 중이다.

이번 연구는 이진우 교수 연구실의 임원광 박사(퍼시픽 노스웨스트 내셔널 레보터리 박사후 연구원), 박철영 박사과정, 포스텍 한정우 교수 연구실의 정현정 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했으며 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2022년 12월17일 온라인으로 게재됐다.