KAIST, 전해액 사용량 4배 줄인 ‘리튬-황 전지’ 개발
KAIST, 전해액 사용량 4배 줄인 ‘리튬-황 전지’ 개발
  • 김동수 기자
  • 승인 2020.06.27 07:05
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김희탁 교수(左)와 정진관 박사과정(右). (KAIST 제공)/그린포스트코리아
김희탁 교수(左)와 정진관 박사과정(右). (KAIST 제공)/그린포스트코리아

[그린포스트코리아 김동수 기자] 국내 연구진이 ‘리튬-황 전지’를 경제적으로 설계하면서 성능을 획기적으로 개선한 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 김희탁 교수팀이 기존 대비 전해액의 함량을 4배 이상 줄인 리튬-황 전지를 개발했다고 25일 밝혔다.

리튬-황 전지는 차세대 배터리 기술 중 연구개발이 가장 활발한 기술이다. 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용되는 리튬이온 전지에 비해 에너지 밀도가 2~3배 높아 전기 동력 기체 무게를 크게 줄일 수 있다. 

특히, 지구에 풍부하게 존재하는 황을 활용해 저가의 전지를 구현할 수 있어 산업계와 학계로부터 많은 주목을 받아왔다.

하지만 리튬이온 전지와 달리 전해액 함량이 매우 높다. 전지 무게의 40%에 달하는 전해질을 사용하기 때문에 무게 증가로 고에너지밀도 구현에 한계가 있었다.

반대로 이 전해액 양을 낮추면 황이 방전되고 난 후의 산물인 ‘리튬 폴리 설파이드(Lithium poly sulfide)’의 용해량이 감소해 용량과 출력이 저하된다. 또한 리튬금속 음극이 전해액을 분해, 고갈시켜 전지 수명을 떨어뜨리는 문제도 있다.

연구팀은 리튬 나이트레이트 염과 같이 높은 전자공여(다른 화합물에 전자를 주는 성질) 능력이 있는 염을 전해질에 주입하면 폴리 설파이드의 용해도를 증가시킬 수 있음을 규명했다. 동시에 리튬금속에서 전해질 분해를 억제할 수 있음을 밝혀냈다.

리튬이온과 결합력이 강한 나이트레이트 음이온이 리튬이온의 ‘용매화 껍질(Solvation Shell)' 역할을 수행함으로써 리튬 폴리 설파이드의 해리도를 증가, 결과적으로 용해도가 향상된다는 사실도 증명했다. 아울러 용매화 껍질 구조변화가 전해액 용매 분자와 리튬금속과의 접촉을 낮춰 분해반응을 억제하는 현상도 확인했다. 

그 결과, 연구팀은 전해액 성분 중 리튬 염 물질 하나만 교체하는 간단한 방법으로 에너지 밀도를 높이면서 고가의 전해액 사용량을 4배 이상 줄이는 성과를 거뒀다.

김희탁 교수는 "이번 연구는 황 양극과 리튬금속 음극의 성능을 동시에 높일 수 있는 전해액 설계원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다ˮ며 "차세대 전지 전해액 설계 산업 전반에 걸쳐 넓게 응용되기를 기대한다ˮ고 말했다. 

이번 연구결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced energy materials)’ 6월 2일 자 표지 논문으로 실렸다.

기존 전해액과 개발 전해액의 리튬 용매화 껍질 구조 차이. (KAIST 제공)/그린포스트코리아
기존 전해액과 개발 전해액의 리튬 용매화 껍질 구조 차이. (KAIST 제공)/그린포스트코리아

 

kds0327@greenpost.kr



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