고려대, 차세대 ‘리튬황 배터리’ 개발…“수명·밀도 개선”

[이데일리 신하영 기자] 고려대 연구진이 수명·에너지 밀도가 개선된 차세대 리튬-황 배터리를 개발했다.

왼쪽부터 문준혁 교수(교신저자), 염세기·조현희·이해리 연구자(사진=고려대 제공)

고려대는 문준혁 화공생명공학과 교수팀이 이러한 연구 성과를 얻었다고 24일 밝혔다. 이번 연구는 삼성 미래기술육성사업의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 재료 분야 국제 저명 학술지(Energy Storage Materials)에 게재됐다.

리튬-황 배터리는 현재 보편화된 리튬-이온 배터리보다 에너지 밀도를 2~3배 높일 수 있다. 특히 리튬-황 배터리에서 양극재로 사용되는 황의 매량장이 풍부하기에 제조 원가를 낮출 수 있다는 장점도 있다.

리튬-황 배터리는 충전·방전 중 황과 리튬 설파이드라인 물질 사이에서 전환이 일어나며 작동한다. 다만 방전 방전 시 생성되는 리튬 설파이드가 탄소 표면을 덮어 전기가 흐르지 못하게 되는 점이 단점이다. 이로 인해 전선이 절연체로 덮여 전기가 통하지 않는 것처럼 배터리의 성능이 저하되는 문제가 발생한다.

연구팀은 이런 문제점을 해결하기 위해 계면에너지를 제어하는 방법으로 나이오븀 산화물(Nb2O5)을 양극에 포함시켰다. 탄소 표면에 최소한의 접촉으로 황화리튬이 형성되도록 한 것이다. 그 결과 연구팀이 개발한 리튬-황 배터리는 90% 이상의 황 활용도와 10mAh/cm2의 양극 용량을 달성했다. 이는 리튬-이온 전지 대비 2배에 달하는 용량이다.

문준혁 교수는 “이번 연구 결과는 양극 메커니즘을 기반으로 간단히 문제를 해결할 방법을 제시한 것으로 리튬-황 전지의 상용화에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.