친환경·저비용의 유리 섬유 막을 양극에 적용함으로써 리튬-황 전지의 고성능화를 실현시켰다. 유연해 전극을 구부려도 기계적으로 손상을 입지 않으며, 100회가 넘는 충·방전 횟수에도 전지의 용량이 안정적으로 유지된다./사진제공=한국연구재단국내 연구진이 친환경·저비용 소재인 유리 섬유막을 리튬-황 전지에 최초로 적용하여 고효율 전극 소재를 개발했다.
리튬-황 전지는 휴대기기에 쓰이는 기존의 리튬이온 전지보다 용량과 에너지 밀도가 우수하여 차세대 대용량 에너지 저장장치로서 각광 받고 있다. 하지만 황의 낮은 전기전도도, 충전ㆍ방전할 때의 부피 변화, 리튬과 황의 반응물질로 인한 전지의 수명 단축 등으로 인해 리튬-황 전지를 상용화하기에는 한계가 있었다. 기존 해결 방법으로는 고비용의 탄소 재료를 다량 첨가하거나 독성 및 발암성 용매를 사용하는 방법이 쓰였다.
김도경 한국과학기술원(KAIST) 교수연구팀은 유리 섬유를 서로 얽히게 하여 매우 유연하고 질긴 다공성 골격을 제조하고, 이를 리튬-황 전지에 최초로 적용하는 아이디어를 제안했다. 어디서나 볼 수 있는 유리 섬유의 값싸고 무해한 특성이 리튬-황 전지에도 적용된 것이다. 이 연구에서 개발된 전극은 유연성이 있어 구부려도 기계적으로 손상되지 않고, 바인더 및 금속 집전체 등의 부속물들이 첨가되지 않아 전지의 질량 당 에너지 밀도가 뛰어나다. 또한 유리 섬유막 내부에 첨가된 탄소나노튜브와 이산화망간으로 인하여 전기전도도도 높아지고 전지의 성능이 감소하는 것도 방지되었다.
유리섬유가 포함된 리튬-황 전지의 에너지 밀도는 그램(g)당 1,210 밀리암페어아워(mAh)로, 리튬이온 전지의 6배 이상이다. 또한 100회의 충전과 방전 후에도 970 밀리암페어아워(mAh)로 유지되어, 안정적인 수명 특성을 보여주었다.
김도경 교수는“비용 및 유해성의 측면에서 우수하면서도 효율성이 높은 새로운 전극 제조 방식을 개발했다”면서 “리튬-황 전지의 상용화와 대량 생산이 가능하게 해, 앞으로 전기자동차 등에 적용하여 에너지 저장 용량을 극대화할 것으로 기대된다”라고 말했다.
과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(개인연구), 과학기술정보통신부·한국과학기술단체총연합회 해외고급과학자초빙 사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 신소재공학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 서스테이너블 시스템즈’에 지난달 27자에 게재됐다.
김도경 KAIST교수/사진제공=한국연구재단
라구파시 KAIST 객원교수/사진제공=한국연구재단
