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DGIST 유종성 교수 연구팀, 긴 수명과 안정성을 동시에 해결한 차세대 고효율 리튬-황 전지 개발
2020년 05월 19일 (화) 10:46:02 DGN webmaster@dgn.or.kr
- DGIST 유종성 교수 연구팀, 신개념 전극 물질로 저비용, 고내구성 리튬-황 전지 개발
- 리튬이온전지보다 더욱 향상된 성능으로 휴대전화, 전기차 배터리 등 생산에 기여 기대

□ 국내 연구진이 새로운 전극 물질을 이용해 차세대 배터리인 ‘리튬-황 전지’의 수명과 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.

□ DGIST(총장 국양)는 에너지시스템공학전공 유종성 교수팀이 기존의 황 복합전극 소재인 다공성 탄소 대신 다공성 실리카((silicon dioxide, SiO2) : 이산화규소(SiO2)를 지칭하며 암석이나 토사의 주성분으로 광섬유, 수정진동자 등 하이테크의 기본이 되는 소재. 결정형의 차이에서 석영, 수정, 수정 유리, 실리카겔이 된다.)를 사용한 리튬-황 전지를 개발했다고 19일(화) 밝혔다.

□ 최근 전기자동차, IOT 기술 등이 발전하면서 고효율 차세대 이차전지 연구가 활발하다. 그 중에서 리튬-황 전지는 기존의 리튬이온 전지보다 5배 이상 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 장시간 사용이 가능하다. 또한 지구상에 풍부한 자원인 황은 가격이 저렴하고 유해하지 않아 세계적으로 활발한 연구가 진행 중이다.

□ 하지만 리튬-황 전지에 사용되는 황은 충전과 방전 중에 생성되는 다양한 형태의 리튬 다황화물 때문에 황 활물질의 손실이 발생해 전지의 수명과 용량이 크게 악화되는 단점이 있다. 이 때문에 이를 개선하기 위한 황 복합전극 소재 개발이 활발히 진행되고 있다.

□ 이에 유종성 교수팀은 특별한 구조를 통해 황을 효과적으로 담을 수 있는 물질인 다공성 실리카를 새롭게 합성해 다공성 실리카/황 복합전극을 최초로 구현했다. 기존의 황 복합전극 소재로 쓰이던 다공성 탄소는 황의 낮은 전기전도도를 향상시킬 수 있지만 극성이 없어 리튬 다황화물과 친화력이 낮아 황의 손실이 컸다. 반면, 연구팀이 고안한 다공성 실리카는 비전도성이지만 극성 성질 때문에 극성 리튬 다황화물과 뛰어난 상호작용으로 황의 손실을 억제할 수 있으리라 예측했다.

□ 연구팀은 이를 규명하고자 다공성 탄소와 다공성 실리카를 리튬-황 전지에 적용시켜 2,000회 이상의 가혹한 충전과 방전을 동일하게 구동해 보았다. 그 결과, 다공성 실리카가 더욱 뛰어난 내구성을 보임을 확인했다. 또한 기존의 리튬-황 전지 연구에서 보고된 2 mg/cm2 이하의 황 함유량보다 약 3배 이상인 6.5 mg/cm2 수준의 높은 황 함유량을 포함하며 뛰어난 용량과 수명을 증명할 수 있었다.

□ DGIST 에너지공학전공 유종성 교수는 “지금까지 시도하지 못한 다공성 무기질 구조 물질을 새로운 황 복합전극 소재로 이용할 수 있음을 최초로 규명한 연구성과”라며, “차세대 고내구성 리튬-황 전지 개발에 대한 새로운 패러다임을 제공 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

□ 이번 연구는 미국 아르곤 국립연구소(ANL)의 아민 카릴(Amine Khalil) 박사팀과 공동협력으로 진행됐으며, DGIST 에너지공학전공 이병준 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했다. 아울러 에너지과학 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials)’ 4월 22일자 온라인판에 게재됐다.
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