KAIST(총장 신성철)가 얇은 탄소나노섬유로 황 활물질을 잡아두는 방법으로 고성능 리튬 황 전지소재를 만드는데 성공했다. 기존 리튬 이차전지를 대체할 새로운 전지 소재를 개발, 관련 기술 상용화를 앞당길 전망이다.
KAIST는 김도경 신소재공학과 교수팀이 이현욱 UNIST 교수와 함께 탄소나노섬유를 이용한 고용량 리튬 황 기반 이차전지 전극 소재를 개발했다고 22일 밝혔다.
리튬 황 전지는 기존 리튬이온 전지보다 6배 이상 에너지 밀도가 높다. 한 번 충전으로 400㎞ 이상을 주행할 수 있어, 차세대 리튬이차전지로 각광받고 있다.
과제는 활물질(전극 반응에 관여하는 물질)인 황에 있다. 황은 전기전도도가 낮고, 충·방전시 부피 변화가 크다. 리튬 폴리설파이드 중간상(황이 전기화학 반응으로 변화·생성되는 산물)이 녹아나오는 문제도 발생한다.
다공성 탄소 분말로 황을 감싸 문제를 해결하는 방법이 나왔는데, 접촉 저항이 대폭 늘어난다.
연구팀은 새로운 형태의 탄소·황 전극을 적용해 기존 문제점을 없애면서 접촉저항도 대폭 줄였다. 얇은 탄소나노섬유를 고체 황 분말을 분산시킨 슬러리(고체·액체 혼합물)로 적신 뒤 건조하는 방법을 썼다. 황이 리튬 폴리설파이드화 해도 탄소나노섬유 사이에 맺혀 흘러나오지 않게 했다.
이 결과 소재의 황 함량과 면적당 용량(mAh/㎠)은 대폭 늘어났다. 황 함량은 10㎎/㎠며, 면적당 용량은 7mAh/㎠다. 기존 리튬이온의 면적당용량은 1~3mAh/㎠ 수준이다.
연구팀은 이번 연구 결과를 활용하면 다른 리튬 이차전지의 연구범위를 넓힐 수있다고, 고용량 리튬 황 이차전지 상용화도 앞당길 수 있다고 설명했다.
김도경 교수는 “고용량 리튬 황 상용화에 한 단계 다가선 연구성과를 마련했다”면서 “전기자동차, 무인항공기(UAV), 드론 등 고용량 이차전지를 활용하는분야의 성장도 견인할 수 있다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
