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차세대 2차전지 이론 용량 92%까지 따라잡았다

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2019년 01월 30일 16:08 프린트하기

김희탁 KAIST 생명과학공학과 교수(오른쪽)와 추현원 석사과정생은 차세대 2차전지인 리튬-황 전지의 이론용량을 92%까지 따라잡은 전지를 개발했다고 30일 밝혔다. KAIST 제공
김희탁 KAIST 생명과학공학과 교수(오른쪽)와 추현원 석사과정생은 차세대 2차전지인 리튬-황 전지의 이론용량을 92%까지 따라잡은 전지를 개발했다고 30일 밝혔다. KAIST 제공

국내 연구진이 스마트폰 등에 보편적으로 쓰이고 있는 2차 전지인 리튬-이온전지를 대체할 수 있을 것으로 기대되는 리튬-황 전지의 이론 용량을 92% 구현한 고성능 리튬-황 전지를 개발했다. 기존 리튬-이온 전지 용량의 7배 성능을 보일 차세대 2차전지 구현이 가까워진 것이다.

 

김희탁 KAIST 생명과학공학과 교수 연구팀은 리튬-황 전지가 이론적으로 구현할 수 있는 용량의 92%를 구현한 고성능 리튬-황 전지를 개발했다고 30일 밝혔다.

 

전기 자동차나 드론 등 대용량 전지가 필요한 기술이 발달하며 차세대 2차전지 필요성이 커졌다. 이 중 주목받는 차세대 2차전지가 리튬-황 전지다. 리튬-이온 전지보다 이론적으로 6~7배 높은 에너지밀도를 갖는다. 원료 물질인 황의 가격이 저렴해 가격 경쟁력도 높다.

 

리튬-황 전지는 전력을 생산하는 도중 방전으로 인해 생겨나는 황화리튬(Li₂S)이 전극의 표면에 쌓여 전극에서 전자의 이동을 차단해 이론적인 성능이 구현되지 않는 문제를 안고 있었다. 이 현상을 완화하기 위해 전기 전도성을 높이는 물질인 도전재를 전극에 넣기도 한다. 이 경우는 리튬-황 전지의 에너지 밀도를 낮춰 이론용량의 70%까지 구현하는 게 한계였다.

 

연구팀은 전지에 들어가는 전해질로 기존 리튬-황 전지에 쓰이던 리튬비스마이드(LiTFSI) 대신 주위에 전자를 더 잘 제공하는 물질인 음이온을 갖는 리튬 염(LiTf, LiBr)을 썼다. 이 염들은 전지 내부에서 황화리튬의 용해도를 높여서 전극 표면에 황화리튬이 달라붙는 대신 입체 구조로 전극에 수직하게 자라게 했다. 전극을 가리는 부분을 줄여 높은 용량을 구현하게 한 것이다.

 

기존 리튬비스마이드를 전해질로 쓴 경우 황화리튬이 전극 표면에 코팅하듯 달라붙었지만(왼쪽 상단) 전해질을 음이온을 갖는 리튬염으로 교체하자 황화리튬이 전극 표면에 입체 구조로 자라나 전극 표면을 덮는 비율이 줄었다. KAIST 제공
기존 리튬비스마이드를 전해질로 쓴 경우 황화리튬이 전극 표면에 코팅하듯 달라붙었지만(왼쪽 상단) 전해질을 음이온을 갖는 리튬염으로 교체하자 황화리튬이 전극 표면에 입체 구조로 자라나 전극 표면을 덮는 비율이 줄었다. KAIST 제공

기존 리튬-이온전지와 비슷한 면적당 용량 밀도를 갖는 고용량 황 전극을 만들었더니 이론용량의 92% 수준의 성능을 보였다. 이 염을 사용할 경우 음극에 안정한 표면 피막을 형성하는 효과도 있어 100회 이상 구동에도 전지의 성능은 떨어지지 않았다.

 

김 교수는 “리튬-황 전지의 한계를 돌파하기 위한 새로운 물리화학적 원리를 제시했다”며 “리튬-황 전지의 이론용량의 92%를 100회 이상 구동하면서도 용량 저하가 없음을 입증했다는 점에서 새로운 이정표가 될 것”이라고 말했다.

 

추현원 석사과정생과 노형준 박사과정생이 1저자로 참여한 이번 연구는 이달 14일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 편집인이 지정한 하이라이트 논문으로 실렸다.

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