'모세관현상 닮은꼴' 고성능 리튬-황 전지 소재 구현

'모세관현상 닮은꼴' 고성능 리튬-황 전지 소재 구현
KAIST 김도경 교수팀 "기존 전극 제조 방법과 차별"



(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 김도경 신소재공학과 교수 연구팀이 탄소 나노 섬유 사이에 황을 잡아두는 방식을 이용해 리튬-황 기반 이차전지 전극 소재를 개발했다고 22일 밝혔다.
리튬-황 전지는 차세대 고용량 리튬 이차전지로 주목받는다. 이론적으로는 현존 리튬이온 전지보다 6배 이상 높은 에너지 밀도를 가진다.
최근 전기자동차나 대용량 에너지 저장장치(ESS) 수요가 늘면서 리튬-황 전지 관련 연구도 활발하다.
상용화를 위한 걸림돌은 있다.
황의 낮은 전기전도도, 잦은 충전·방전에 따른 부피 변화, 리튬 폴리설파이드 중간상 배출 현상 등이다.


연구팀은 전기방사를 통해 대량으로 1차원 형태 탄소 나노 섬유를 만들었다.
이어 섬유를 고체 황 분말 분산 슬러리(고체와 액체 혼합물 또는 미세 고체 입자 현탁액)에 적시고서 건조하는 간단한 방법을 통해 접촉 저항을 크게 줄인 황-탄소 전극을 개발했다.
주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰한 결과 고체 황이 전기화학 반응 중 중간 산물인 액체 리튬 폴리설파이드로 변화했다.
이들은 탄소 나노 섬유 사이에 일정한 모양으로 맺힌 후 충전과 방전 과정에서 그 형태를 유지하며 녹아 나가지 않았다.


연구팀은 이 모습을 종이가 물을 흡수하는 것 같은 모세관현상에 비유했다.
복잡하게 황을 감싸지 않고도 황이 탄소 섬유 사이에 효과적으로 가둬지는 것을 발견했다는 뜻이다.
기존 연구 결과가 단위 면적당 황 함량이 2mg/㎠ 안쪽인 것과 비교해 연구팀 성과로는 10mg/㎠ 넘는 황 함량을 달성했다.
이를 기반으로 7mAh/㎠의 높은 면적당 용량을 기록했다. 기존 리튬이온 전지를 넘는 값이다.
논문 1 저자인 윤종혁 박사과정은 "금속집전에 위에 전극 물질을 도포하는 기존 전극 제조 방법과는 전혀 다른 방식"이라며 "앞으로 리튬 이차전지 연구 범위를 넓히는 데에 기여할 수 있다고 확신한다"고 말했다.


연구는 KAIST EEWS 연구센터 기후변화연구허브사업과 한국연구재단 중견연구자 지원 사업을 통해 이뤄졌다.
김도경 교수와 이현욱 울산과학기술원(UNIST) 교수가 교신 저자로 이름을 올린 연구 논문은 나노 레터스(Nano Letters) 올해 18호에 실렸다.
walden@yna.co.kr
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