리튬-황 전지 성능을 획기적으로 개선한 차세대 배터리 기술개발에 성공했다.
 KAIST(총장 신성철)는 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 활발하게 이뤄지는 기술로, 리튬-황 전지는 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용되는 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 2~3배 높아 전기동력 기체 무게를 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다.
 따라서 이번에 개발된 경제적이면서도 획기적으로 성능이 개선된 리튬-황 전지는 차세대 배터리 기술개발에 한 발 더 다가섰다는 의미를 갖는다.
 리튬-황 전지는 가벼운 황과 리튬금속을 활물질(화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산하는 물질)로 이용하기 때문에 중금속 기반인 리튬이온전지에 비해 경량화가 가능하고, 특히 지구에 풍부하게 존재하는 황을 활용해 저가의 전지를 구현할 수 있다는 점 때문에 주목받고 있다.
 다만 리튬-황 전지는 리튬이온전지와 달리 매우 높은 전해액 함량을 갖고 있어 전지 무게의 40%에 달하는 과량의 전해질 사용이 기술개발에 큰 걸림돌이 되어왔다.
 리튬-황 전지는 황이 방전되고 난 후의 산물인 '리튬 폴리 설파이드(Lithium poly sulfide)'가 전해액에 용해된 상태에서 빠른 충·방전 특성을 갖기 때문에 전해액 양을 낮추면 용량 및 출력이 저하되는 문제가 발생하고, 리튬금속 음극이 전해액을 분해해 전해액이 고갈되는 문제도 낮은 전해 액체량에서 더욱 심해져 결국 전지 수명을 떨어뜨린다.
 이에 김희탁 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 리튬 나이트레이트 염과 같이 높은 전자공여(다른 화합물에 전자를 주는 성질) 능력이 있는 염을 전해질에 주입하면 폴리 설파이드의 용해도를 증가시킴과 동시에 리튬금속에서 전해질 분해를 억제할 수 있음을 규명했다.
 또한 리튬이온과 결합력이 강한 나이트레이트 음이온이 리튬이온의 '용매화 껍질(Solvation Shell)' 역할을 수행함으로써 리튬 폴리 설파이드의 해리도를 증가시켜 결과적으로 용해도가 향상된다는 사실과 용매화 껍질 구조변화가 전해액 용매 분자와 리튬금속과의 접촉을 낮춰 분해반응을 억제하는 현상도 증명했다.
 전해액 성분 중 리튬 염 물질 하나만을 교체하는 간단한 방법으로 에너지 밀도를 높이면서 고가의 전해액 사용량을 4배 이상 줄여 가격을 대폭 절감하는 성과를 거둔 것이다.
 김희탁 교수는 "이번 연구는 황 양극과 리튬금속 음극의 성능을 동시에 높일 수 있는 전해액 설계원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다"면서 "차세대 전지 전해액 설계산업 전반에 걸쳐 넓게 응용되기를 기대한다"라고 말했다.
 KAIST 생명화학공학과 석사졸업생인 추현원 학생(現 MIT 박사과정 재학 중)과 정진관 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced energy materials)' 지난 2일 자 표지논문으로 실렸다. /대전=이한영 기자

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