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.

분무 동결법을 이용해 그래핀이 전기전도성을 보완해주고 황과 그래핀이 강하게 결합해 황이 전해액으로 녹아드는 현상을 억제했다. 한국연구재단 제공

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