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KAIST, 전기차-드론 쓰이는 차세대 리튬-황 배터리 소재 개발

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2018년 03월 22일 12:10 프린트하기

전기자동차용 배터리와 같은 대용량 에너지 저장장치의 수요가 급증함에 따라 기존 리튬이온 전지를 뛰어넘는 높은 에너지 밀도를 가진 차세대 전지에 대한 수요가 커지고 있다. 국내 연구팀이 가벼운 무게에 많은 에너지를 담을 수 있는 리튬-황 전지의 상용화 가능성을 끌어 올렸다.

 

김도경 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수팀은 22일 종이가 물을 흡수하는 모세관 현상처럼 탄소나노섬유 사이에 황을 잡아두는 방식을 통해 리튬-황 기반 이차전지 전극 소재를 개발했다고 발표했다.

 

리튬-황 전지는 이론적으로 리튬 이온 전지보다 약 6배 이상 높은 에너지 밀도를 가져 차세대 고용량 리튬 이차전지로 각광받고 있다. 하지만 황의 전기전도도가 낮고, 충전과 방전으로 인한 부피 변화, 반응 생성물인 리튬 폴리설파이드가 전해질에 녹는 현상 등이 있어 상용화의 걸림돌이 돼 왔다. 이같은 단점을 개선하기 위해 다공성 탄소 분말로 황을 감싸는 방법이 시도되고 있었다.

 

 

 

전기화학 반응을 통해 탄소나노섬유에 황이 맺히는 현상과 그로 인한 전지의 안정적인 수명 특성을 보였다- KAIST 제공
전기화학 반응을 통해 탄소나노섬유에 황이 맺히는 현상과 그로 인한 전지의 안정적인 수명 특성을 보였다- KAIST 제공

 

연구팀은 우선 탄소 분말 사이에서 저항이 생기는 것을 막기 위해  전기방사를 통해 1차원 형태의 탄소나노섬유를 대량 제작했다. 그런 다음 고체 황 분말이 분산된 슬러리 (slurry, 고체와 액체 혼합물 또는 미세 고체입자가 물 속에 현탁된 현탁액)에 적신 뒤 건조하는 방법으로 접촉 저항을 대폭 줄인 황-탄소 전극을 개발했다.

 

그 결과 새로 개발한 전극에서 종이가 물을 흡수하듯 고체 황이 전기화학 반응 중 중간 산물인 액체 리튬 폴리설파이드로 변했으며, 이들이 탄소나노섬유들 사이에 일정한 모양을 유지해 충전과 방전 과정에서 밖으로 녹아나가지 않는 것을 확인했다.

 

눈문 제1 저자인 윤종혁 박사는 “황위에 탄소분말을 뿌리는 것이 아니라 탄소섬유를 제작해 단점을 해결한 것”이라고 말했다. 탄소섬유들 사이에 효과적으로 황을 고정하는 방법을 찾은 것이다.

 

또 연구팀은 기존 리튬-황전지의 단위면적당 용량보다 5배 높은 10mg/㎠이상의 황 함량을 달성했고 이를 기반으로 7mAh/㎠의 높은 면적당용량을 기록했다. 이는 기존 리튬이온전지의 면적당용량인 1~3mAh/㎠를 능가하는 값이다. 김도경 교수는 “고용량 리튬-황 전지의 무게 대비 용량을 크게 끌어 올린 것”이라며 “전기자동차뿐만 아니라 무인항공기(UAV)나 드론 등에도 폭넓게 적용될 수 있다”고 전망했다.

 

이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 2018년도 18호에 게재됐다.

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