유종성(왼쪽) DGIST 에너지공학과 교수팀이 학내 실험실에서 차세대 리튬?황 전지 개발을 위한 실험을 하고 있다. 사진제공=DGIST대구경북과학기술원(DGIST)은 12분 만에 완전 충전이 가능하고 1000회 이상 충‧방전 후에도 82%의 용량을 유지하는 차세대 리튬‧황 전지를 개발했다고 29일 밝혔다.
기존 리튬‧황 전지가 느린 충전 속도 때문에 상용화에 어려움을 겪었으나, 질소를 첨가한 새로운 다공성 탄소 소재를 활용해 이 문제를 해결했다고 DGIST는 설명했다.
리튬‧황 전지는 리튬이온 전지에 비해 에너지 밀도가 높고, 소재 가격이 저렴해 차세대 배터리로 주목받고 있다.
하지만 급속충전 시 황의 활용도가 떨어지고 전지 용량이 줄어드는 문제로 그 동안 상용화가 어려웠다.
방전 과정에서 황이 분해돼 생성된 리튬 폴리설파이드가 전지 내부를 떠돌며 성능을 저하시키는 단점도 있다.
이를 해결하기 위해 다공성 탄소 구조체에 황을 담아 전지를 제작하는 방식이 연구되고 있지만, 여전히 상용화 수준의 성능을 확보하지 못했다.
DGIST 유종성 에너지공학과 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 질소를 포함한 고흑연성·다중다공성 탄소를 새롭게 합성하고 이를 리튬‧황 전지의 양극에 적용했다.
이 기술은 급속 충전에서도 높은 에너지 용량을 유지하는 데 성공했다. 이번에 개발된 탄소 소재는 마그네슘을 이용한 열환원법을 적용해 합성했다.
마그네슘은 고온에서 탄소의 구조를 더 안정적이고 견고하게 만들며 기존보다 다양한 세공 구조를 형성했다.
또 황과 전해질의 접촉을 원활하도록 해 전지의 성능을 크게 높였다.
특히 질소가 탄소 표면에 도핑, 리튬 폴리설파이드의 이동을 효과적으로 억제함에 따라 1000회 이상 충·방전 후에도 82%의 용량을 유지하는 뛰어난 안정성을 보였다.
이번 연구는 미국 아르곤 국립연구소의 카릴 아민 박사팀과 공동으로 진행됐다. 연구결과는 세계적 학술지 ‘ACS Nano’에 게재됐다.
유 교수는 “이번 연구는 마그네슘을 활용한 간단한 합성법으로 리튬‧황 전지의 충전 속도를 개선하는 데 초점을 맞췄다”며 “리튬‧황 전지의 상용화가 앞당겨지기를 기대한다”고 말했다.
