대구경북과학기술원 에너지공학과 유종성 교수팀은 리튬-황 전지의 충전 속도를 크게 개선할 수 있는 신기술을 개발했다고 밝혔습니다.
연구팀은 기존의 리튬-황 전지가 상용화에 어려움을 겪었던 느린 충전 속도 문제를 해결하기 위해 질소를 첨가한 새로운 다공성 탄소 소재를 활용했습니다.
리튬이온 전지는 전기차와 같은 친환경 기술에 필수적이지만 에너지 저장 용량이 낮고 가격이 높은 것이 단점입니다.
이에 비해 리튬-황 전지는 에너지 밀도가 높고 황이 저렴한 소재지만, 급속충전 시 황의 활용도가 떨어지고 전지 용량이 줄어드는 문제로 인해 상용화가 어려웠습니다.
또 방전 과정에서 황이 분해돼 생성된 리튬 폴리설파이드가 전지 내부를 떠돌며 성능을 저하시키는 점도 문제였습니다.
유 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 질소를 포함한 고흑연성, 다중다공성 탄소를 새롭게 합성하고 이를 리튬-황 전지의 양극에 적용해 급속 충전에서도 높은 에너지 용량을 유지하는데 성공했습니다.
이번 개발된 탄소 소재는 ZIF-8이라는 금속-유기 골격체에 마그네슘을 이용한 열 환원법을 적용해 합성했습니다.
마그네슘은 고온에서 ZIF-8의 질소와 반응해 탄소의 구조를 더 안정적이고 견고하게 만들며, 기존보다 다양한 세공 구조를 형성했고 이 구조는 황을 더 많이 담을 수 있을 뿐 아니라 황과 전해질의 접촉을 원활히 하여 전지의 성능을 크게 높였습니다.
이번 연구에서 개발된 리튬-황 전지는 마그네슘 열환원법을 활용한 간단한 방식으로 합성된 다기능성 탄소 소재를 황 호스트로 사용했습니다.
이 전지는 완전 충전 시간이 단 12분에 불과한 급속충전 조건에서도 705mAh g⁻¹의 높은 용량을 기록하며 기존 대비 1.6배 향상된 성능을 나타냈습니다.
또 질소가 탄소 표면에 도핑돼 리튬 폴리설파이드의 이동을 효과적으로 억제함으로써 1,000회 이상의 충전과 방전 후에도 82%의 용량을 유지하는 뛰어난 안정성을 보였습니다.
유 교수는 "이번 연구는 마그네슘을 활용한 간단한 합성법으로 리튬-황 전지의 충전 속도를 개선하는 데 초점을 맞췄다"라며 "이 연구를 기반으로 리튬-황 전지의 상용화가 앞당겨지기를 기대한다"라고 밝혔습니다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원 사업으로 진행됐으며 미국 아르곤 국립연구소와 공동으로 수행한 이번 연구 결과는 세계적 학술지 ACS Nano에 게재됐습니다.
