[충남일보 이훈학 기자] 한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 신소재공학과 김도경 교수 연구팀이 종이가 물을 흡수하는 모세관 현상처럼 탄소나노섬유 사이에 황을 잡아두는 방식을 통해 리튬-황 기반 이차전지 전극 소재를 개발했다고 22일 밝혔다.
최근 전기자동차, 대용량 에너지 저장장치의 수요가 급증함에 따라 기존 리튬이온 전지를 뛰어넘는 높은 에너지 밀도의 이차전지 개발 필요성이 커지고 있다.
연구팀이 개발한 면적당 용량(mAh/㎠)이 우수한 저중량, 고용량 리튬-황 기반 이차전지 전극소재를 통해 리튬-황 전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
리튬-황 전지는 차세대 고용량 리튬이차전지로 각광받고 있으며, 이론적으로 리튬이온 전지보다 약 6배 이상 높은 에너지 밀도를 갖는다.
하지만 황의 낮은 전기전도도, 충전과 방전으로 인해 발생하는 부피 변화, 리튬 폴리설파이드 중간상이 전해질로 녹아 배출되는 현상은 리튬-황 전지 상용화의 걸림돌이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 다공성 탄소 분말로 황을 감싸 전기전도도를 향상시키면서 부피변화를 완화시키며, 폴리설파이드가 녹는 것을 방지하는 황-탄소 전극 개발에 대한 연구가 주로 진행돼왔다.
그러나 이러한 구형의 0차원 탄소 분말들은 입자 간 무수한 접촉 저항이 발생하고, 황을 감싸는 합성 과정이 까다로울 뿐 아니라 입자들을 연결하기 위해 고분자 바인더를 사용해야한다는 단점이 있다.
이에 연구팀은 기존 탄소 재료의 단점을 극복하기 위해서 전기방사를 통해 대량으로 1차원 형태의 탄소나노섬유를 제작하고, 고체 황 분말이 분산된 슬러리(고체와 액체 혼합물 또는 미세 고체입자가 물 속에 현탁된 현탁액)에 적신 뒤 건조하는 간단한 방법을 이용해 접촉 저항을 대폭 줄인 황-탄소 전극을 개발했다.
이후 주사전자현미경(SEM)을 통해 현상을 관찰했다. 종이가 물을 흡수하듯 고체 황이 전기화학 반응 중 중간 산물인 액체 리튬 폴리설파이드로 변화하고, 이들이 탄소나노섬유들 사이에 일정한 모양으로 맺힌 후 충전과 방전 과정에서 그 형태를 유지하며 밖으로 녹아나가지 않음을 확인했다.
복잡하게 황을 감싸지 않고도 황이 탄소 섬유들 사이에 효과적으로 가둬지는 것을 발견한 것이다.
연구팀은 또 기존 연구 결과가 단위 면적당 황 함량이 2mg/㎠ 이내인 것에 비해 이번 연구에서는 10mg/㎠이 넘는 황 함량을 달성했고, 이를 기반으로 7mAh/㎠의 높은 면적당용량을 기록했다. 이는 기존 리튬이온전지의 면적당용량인 1~3mAh/㎠를 능가하는 값이다.
김도경 교수는 “고용량 리튬-황 상용화에 한 단계 다가선 연구 성과로 전기자동차뿐만 아니라 무인항공기(UAV) 및 드론 등에도 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
