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이차전지 성능 최대 7배까지 높인다

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2019년 01월 27일 14:42 프린트하기

이진우 KAIST 생명화학공학과 교수(왼쪽)와 임원광 석박사통합과정생은 새로운 황 담지채를 개발해 리튬-황 이차전지의 성능을 높이는 데 성공했다고 밝혔다. KAIST 제공
이진우 KAIST 생명화학공학과 교수(왼쪽)와 임원광 석박사통합과정생은 새로운 황 담지채를 개발해 리튬-황 이차전지의 성능을 높이는 데 성공했다고 밝혔다. KAIST 제공

이진우 KAIST 생명화학공학과 교수 연구팀은 서로 다른 크기의 기공을 갖는 구조의 무기소재 를 합성해 리튬-황 이차전지의 성능을 높일 황 담지체를 개발했다고 27일 밝혔다. 황 담지체는 황이 새어나가지 않도록 안정적으로 담을 수 있는 그릇 역할의 소재를 뜻한다.

 

전기 자동차 등 대용량 전지를 쓰는 기술이 발달하며 차세대 이차전지 필요성이 커졌다. 이중 주목받는 것이 리튬-황 이차전지다. 기존 리튬 이온 이차전지보다 이론상 7배 이상 에너지를 저장하고 저렴하기 때문이다.

 

리튬-황 이차전지는 상용화를 위해 넘어야 할 산이 많다. 황의 전기전도도가 낮아 전기 생성량이 낮고 충전과 방전을 거듭하는 과정에서 황이 새는 문제가 있다. 황의 전기화학적 반응에서 활성도가 낮다는 점도 상용화에 다가서지 못하는 원인이었다.

 

과학자들은 황 담지체에 주목하고 있다. 특히 극성을 갖는 무기 소재는 황을 안정적으로 담아 황이 새어나가지 못하게 할 뿐 아니라 활성도를 높여주는 효과도 있어 관련 연구가 활발하다. 하지만 황을 담아내기에 적합한 구조를 지어내는 게 쉽지 않다는 단점이 있었다.

 

연구팀이 개발한 다차원 상분리 현상을 유도하는 합성법의 모식도. 이 과정을 거치면 여러 기공 크기를 갖는 티타늄질화물 황 담지체가 만들어진다. KAIST 제공
연구팀이 개발한 다차원 상분리 현상을 유도하는 합성법의 모식도. 이 과정을 거치면 여러 기공 크기를 갖는 티타늄질화물 황 담지체가 만들어진다. KAIST 제공

연구팀은 다차원 상분리 현상을 유도하는 합성법으로 여러 기공 크기를 갖는 티타늄질화물 황 담지체를 개발했다. 우선 용매의 증발 현상을 이용해 담지체에 50나노미터(㎚, 10억분의 1m) 이상 크기의 기공을 만들었다. 이후 티타늄질화물이 스스로 구조를 형성하게 해 50㎚ 이하 크기의 작은 기공을 만들었다.

 

이렇게 만들어진 티타늄질화물 담지체는 황의 반응 속도를 높여 줄 뿐 아니라 다공성 구조가 황을 안정적으로 담아 리튬-황 이차전지의 특성을 높였다. 기존 리튬-황 이차전지는 200회의 반복 사용을 견디지 못한 반면 연구팀이 만든 황 담지체는 1000회 이후에도 88%의 성능을 유지했다.

 

이 교수는 “이번 연구로 안정적인 수명을 지닌 이차전지 소재 개발의 독보적 기술을 확보했다”며 “리튬-황 이차전지는 상용화를 위해 해결해야 할 문제점이 아직 남아있어 연구가 계속돼야 한다”고 말했다.

 

한정우 포스텍 화학공학과 교수와 공동으로 진행한 이번 연구는 임원광 석박통합과정생이 1저자로 참여했다. 연구 결과는 이달 15일 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈’에 표지논문으로 실렸다.

 

어드밴스드 머터리얼즈 제공
어드밴스드 머터리얼즈 제공

 

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