12분 만에 완전 충전, 차세대 전지 나왔다

[아이뉴스24 정종오 기자] 대구경북과학기술원(DGIST, 총장 이건우) 에너지공학과 유종성 교수팀이 리튬-황 전지의 충전 속도를 크게 개선할 수 있는 신기술을 개발했다.

연구팀은 기존 리튬-황 전지가 상용화에 어려움을 겪었던 느린 충전 속도 문제를 해결하기 위해 질소를 첨가한 새로운 다공성 탄소 소재를 활용했다.

리튬이온 전지는 전기차와 같은 친환경 기술에 필수적이다. 에너지 저장 용량이 낮고 가격이 높은 단점이 있다. 이에 비해 리튬-황 전지는 에너지 밀도가 높다. 황이 값싼 소재여서 차세대 배터리로 주목받고 있다. 급속 충전할 때 황의 활용도가 떨어지고 전지 용량이 줄어드는 문제로 인해 상용화가 어려웠다.

또 다른 문제는 방전 과정에서 황이 분해돼 생성된 리튬 폴리설파이드가 전지 내부를 떠돌며 성능을 떨어트린다는 점이다. 이를 해결하기 위해 다공성 탄소 구조체에 황을 담아 전지를 제작하는 방식이 연구되고 있는데 여전히 상용화 수준의 성능을 확보하지 못했다.

유종성 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 질소를 포함한 고흑연성·다중다공성 탄소를 새롭게 합성하고 이를 리튬-황 전지의 양극에 적용했다. 이 기술은 급속충전에서도 높은 에너지 용량을 유지하는 데 성공했다.

이번에 개발된 탄소 소재는 ZIF-8(금속 이온과 유기 리간드논문명가 결합해 형성된 금속-유기 골격체(MOF))이라는 금속-유기 골격체에 마그네슘을 이용한 열환원법(열을 이용해 물질을 환원시키는 방법)을 적용해 합성했다. 마그네슘은 고온에서 ZIF-8의 질소와 반응해 탄소의 구조를 더 안정적이고 견고하게 만든다.

기존보다 다양한 세공 구조를 형성했다. 이 구조는 황을 더 많이 담을 수 있을 뿐만 아니라 황과 전해질의 접촉을 원활히 해 전지의 성능을 크게 높였다.

이번 연구에서 개발된 리튬-황 전지는 마그네슘 열환원법을 활용한 간단한 방식으로 합성된 다기능성 탄소 소재를 황 호스트로 사용했다. 이 전지는 완전 충전 시간이 단 12분에 불과한 급속충전 조건에서도 705mAh g⁻¹의 높은 용량을 기록했다. 기존보다 1.6배 향상된 성능을 나타냈다.

질소가 탄소 표면에 도핑돼 리튬 폴리설파이드의 이동을 효과적으로 억제함으로써 1000회 이상의 충·방전 후에도 82%의 용량을 유지하는 뛰어난 안정성을 보였다.

유종성 교수는 “이번 연구는 마그네슘을 활용한 간단한 합성법으로 리튬-황 전지의 충전 속도를 개선하는 데 초점을 맞췄다”며 “이 연구를 기반으로 리튬-황 전지의 상용화가 앞당겨지기를 기대한다”고 말했다.

미국 아르곤 국립연구소와 공동으로 수행한 이번 연구 결과(논문명: Tailoring-Orientated Deposition of Li2S for Extreme Fast-Charging Lithium-Sulfur Batteries, 제1저자: 유정훈 석박사통합과정생, 이병준 박사)는 국제 학술지 ACS Nano에 실렸다.