[대학저널 온종림 기자] KAIST(한국과학기술원) 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 포스텍 한정우 교수 연구팀, LG에너지솔루션 차세대전지연구센터와 공동연구를 통해 기존 대비 에너지 밀도와 수명 안정성을 대폭 늘린 리튬-황 전지를 개발했다.

리튬-황 전지는 상용 리튬 이온 전지에 비해 2~3배 정도 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 차세대 이차전지 후보군 중 많은 관심을 받고 있다.

높은 수준의 에너지 밀도를 지닌 리튬-황 전지를 구현하기 위해서는 전지 내부에 들어가는 무거운 전해액의 사용량을 줄이면서도 높은 용량과 구동 전압을 확보하는 것이 필수적이다.

하지만 전지 내부의 전해액 양이 줄어들면 양극에서 발생하는 리튬 폴리 설파이드 용해 현상에 의한 전해액 오염 정도가 극심해져 리튬 이온 전도도가 낮아지고 전기화학 전환 반응 활성이 떨어져 높은 용량과 구동 전압을 구현하는 것이 제한된다.

이 교수연구팀은 이번 연구를 통해 리튬 폴리 설파이드의 용해 현상과 전기화학 전환 반응성을 대폭 향상할 수 있는 철(Fe) 원자 기반의 기능성 양극 소재를 개발하는 데 성공했다.  

 

Fe 원자 주변에 전자공여체와 전자수용체 도입을 통한 전자교환 현상 유도 전략 모식도.

 

최적화된 전자구조를 지닌 철 원자 기반 기능성 소재를 양극에 도입함으로써 리튬 폴리 설파이드의 용해 현상을 효율적으로 억제할 수 있는 효과뿐만 아니라 리튬 폴리 설파이드가 불용성의 리튬 설파이드로 전환될 수 있는 반응성 또한 개선할 수 있었다.

특히 이번 연구에서 개발된 양극 기능성 소재를 활용함으로써, 기존의 상용화된 리튬이온 배터리 대비 약 30% 정도 향상된 에너지 밀도를 확보하는 성과를 거뒀다.

이 교수는 "우수한 리튬-황 전지 양극 기능성 소재를 개발함에 있어, 전자 교환 현상 유도를 통한 전자구조 제어 기술이 전도유망할 수 있음을 보여줬다ˮ고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 `어드밴스드 머티리얼즈'에 2022년 12월 17일 자 온라인판에 게재됐다.

 

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