차세대 2차전지 리튬황전지 안정성 높이는 공정개발

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박호석 성균관대 화학공학과 교수 연구팀은 황 나노 막대기와 그래핀 복합체를 합성해 리튬황전지 안정성을 높이는 황 입자화 공정을 개발했다고 1일 밝혔다. 한국연구재단 제공

차세대 2차전지로 불리는 리튬황전지의 안정성을 높이는 기술이 개발됐다.

박호석 성균관대 화학공학과 교수 연구팀은 황 나노 막대기와 그래핀 복합체를 합성해 리튬황전지 안정성을 높이는 황 입자화 공정을 개발했다고 1일 밝혔다.

전기자동차, 신재생에너지 저장, 스마트 그리드가 최근 관심을 받으며 기존 전지보다 용량이 큰 차세대 2차전지 연구가 증가하고 있다. 그 중 리튬황전지는 현재 널리 쓰이는 리튬이온전지보다 이론적으로 에너지 저장능력이 약 5배 높고 양극재로 사용되는 황 자체도 자원이 풍부하고 가격이 저렴해 차세대 2차전지로 불린다.

하지만 황은 매우 낮은 전기전도성을 갖으며 충∙방전 과정에서 생성되는 황의 중간 생성물이 전해질에 쉽게 녹는다. 이로 인해 전지의 용량 및 수명 손실을 가져오게 된다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 나노입자를 스프레이처럼 뿌리고 동결 건조시키는 분무 동결법을 개발했다. 분무 동결법을 이용해 황과 그래핀을 결합한 공 모양의 입자를 합성하고 다공성 그래핀에 막대모양 황 입자가 다량 결합된 밤송이 형태를 만들었다. 이를 통해 그래핀이 전기전도성을 보완해주고 황과 그래핀이 강하게 결합해 황이 전해액으로 녹아드는 현상을 억제했다.

분무 동결법은 거의 모든 나노소재를 공 모양의 형태로 결합할 수 있다. 입자 크기, 밀도, 개방형 다공성의 내부구조도 제어할 수 있으며 물을 용매로 사용해 친환경적이다. 분무 방식이기 때문에 대량 합성과 전지 상용화에 필수조건인 대면적화도 가능하다.

박 교수는 “분무 동결 합성법은 다양한 나노소재의 복합체 구성과 개방형 다공성 구조의 제어에 응용될 수 있을 것”이라며 “이 합성법의 우수성을 보여주기 위해 개발한 리튬황전지용 양극 소재는 높은 에너지용량이 요구되는 차세대 전자기기와 전기에 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 나노’ 지난달 14일에 발표됐다.