리튬이온전지 대체할 차세대 이차전지 개발성공

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에너지효율 5배 높은 리튬황전지 안정화 성공

박광신 기자 기자페이지 + 입력 2019-04-02 17:29:27

▲ 리튬황전지 안정화 연구개발에 성공한 성균관대학교 박호석교수 [사진=한국연구재단]

리튬황전지를 안정화하고 수명을 늘려주는 공정 기술이 개발되었다. 박호석 교수(성균관대학교) 연구팀은 ‘분무 동결’ 방법으로 황 나노막대기와 그래핀의 복합체를 합성하고 고용량, 장수명 리튬황전지를 개발했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

최근 전기자동차·신재생에너지·스마트 그리드 등이 각광을 받으면서 리튬이온전지를 대체 할 수 있는 차세대 이차전지 연구가 세계적으로 증가하고 있다. 전기차·신재생에너지 저장 등은 기존 전지보다 용량이 큰 중·대형전지가 필수적이다. 리튬황전지는 현재 널리 쓰이는 리튬이온전지보다 에너지 저장능력이 5배가량 높다. 또한 황은 자원이 풍부하고 가격이 저렴해 더욱 관심을 받고 있다.

리튬황전지는 이러한 장점에도 불구하고 몇 가지 기술적 한계점으로 인해 상용화에 어려움이 있었다.

양극 활물질로 사용되는 황은 매우 낮은 전기전도성을 갖으며 충전과 방전 과정에서 생성되는 황의 중간 생성물이 전해질에 쉽게 녹아 심각한 용량 및 수명 손실을 가져온다. 따라서 고에너지 밀도를 달성하기 위해서 황이 포함된 전극의 두께를 증가시키고 황 고유의 높은 용량을 잃어버리지 않는 전극 공정 기술이 필요하다.

박호석 교수연구팀은 탄소나노소재에 황을 담지해 전극화할 때의 기술적 한계를 극복하기 위해 분무 입자화 기술과 얼음 주형법을 결합한 '분무 동결(Spray Frozen, 이하 SF)' 합성법을 고안했다. 이를 이용해 황과 그래핀을 혼합한 마이크로 볼 입자를 합성했고 나아가 고용량․고안정성의 리튬황전지용 양극소재를 개발했다.

오존 가스를 통해 물에 분산된 황과 그래핀을 혼합하는 이 연구는 황과 그래핀을 물리적으로 혼합하는 기존 방식의 한계를 극복했다. 활물질인 황을 매우 고르게 분포시킬 수 있고 SF 공정을 통해서 막대형태의 나노황이 담지된 그래핀 마이크로 볼의 입자 형태와 다공성 구조의 동시 제어가 가능하다는 장점을 갖고 있다.

이번 연구에서 개발된 SF 조립법은 나노소재의 실제 응용에서 걸림돌이 되고 있는 2차 입자화에 적용될 수 있는 범용적인 기술이다.

거의 모든 나노소재를 마이크로 볼 형태의 2차 입자로 만들면서 입자 크기, 밀도뿐만 아니라 방사 배향된 개방형 다공성 내부 구조를 제어할 수 있다. 에너지저장 및 다양한 기능성 나노소재에 적용되어서 응용 영역에 제한을 받지 않는다. 또한 분무 공정의 장점인 대 면적화가 가능하고 얼음 주형의 장점인 물을 용매로 사용하기 때문에 친환경적인 소재 공정기술이다.

연구팀이 개발한 양극소재는 고 에너지밀도를 요구하는 차세대 전자기기, 전기자동차, 신재생에너지 저장, 스마트 그리드 등에 응용 가능할 것으로 기대된다.

박호석 교수는 “이 연구에서 고안한 분무 동결 합성법은 다양한 나노소재의 복합체 구성과 개방형 다공성 구조의 제어에 응용될 수 있다”며 “이 합성법의 우수성을 보여주기 위해 개발한 리튬황전지용 양극 소재는 높은 에너지용량이 요구되는 차세대 전자기기, 전기차 등에 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업과 한국철도기술연구원 주요사업의 지원으로 수행됐다. 나노과학기술 분야 저명한 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 표지논문으로 선정됐다.

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박광신 기자 kspark@skyedaily.com 기자페이지 +