[뉴스프리존,대전=이기종 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 김희탁 교수팀이 기존 대비 전해액의 함량을 4배 이상 줄인 리튬-황 전지를 개발했다고 26일 밝혔다.

최근 드론 및 전기자동차 등 이동체의 항속거리 증대를 위해 리튬이온전지의 용량 및 에너지 밀도의 한계를 극복할 차세대 전지로서 리튬-황 전지가 주목을 받고 있다.

이는 리튬-황 전지는 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용되는 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 2~3배 높아서 이를 사용하면 전기동력 기체 무게를 크게 줄일 수 있기 때문이다.

특히 리튬-황 전지는 가벼운 황과 리튬금속을 활물질(화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산하는 물질)로 이용하기 때문에 중금속 기반인 리튬이온전지에 비해 경량화가 가능하다.

또 지구상에 풍부한 황을 활물질로 이용해 전지 가격 저감에 유리하다는 장점을 가지고 있다.

그러나 리튬 황 전지는 부도체인 황의 느린 전기화학 반응속도 문제를 극복해야 하고 리튬금속 음극의 전해액 분해반응을 억제해야 하는 과제를 안고 있다.

최근 10여 년간 리튬 황 전지에 관한 연구가 집중됐으나 아직 고에너지밀도와 장수명을 동시에 구현하기 위해서는 여러 기술적 난제를 해결해야 한다.

특히 황의 중간방전 산물인 리튬 폴리 설파이드는 전해액에 분해되어 용해된 상태에서 빠르고 원활한 충 ‧ 방전을 일으킨다.

이에 낮은 전해 액체량에서는 리튬 폴리 설파이드의 용해량이 감소해 황 활용률이 떨어진다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 리튬 나이트레이트 염과 같이 높은 전자공여(다른 화합물에 전자를 주는 성질) 능력이 있는 염을 전해질에 주입해 폴리 설파이드의 용해도를 증가시킴과 동시에 리튬금속에서 전해질 분해를 억제할 수 있음을 규명했다.

연구과정을 보면 리튬이온과 결합력이 강한 나이트레이트 음이온이 리튬이온의 ‘용매화 껍질(Solvation Shell)’ 역할을 수행함으로써 리튬 폴리 설파이드의 해리도를 증가시켜 결과적으로 용해도가 향상된다는 사실을 증명했다.

또 용매화 껍질 구조변화가 전해액 용매 분자와 리튬금속과의 접촉을 낮춰 분해반응을 억제하는 현상도 확인했다.

이 연구결과에 의하면 전해액 성분 중 리튬 염 물질 하나만을 교체하는 간단한 방법으로 에너지 밀도를 높이면서 고가의 전해액 사용량을 4배 이상 줄여 가격을 대폭 절감할 수 있음을 밝혔다. 

김희탁 교수는 “이번 연구는 황 양극과 리튬금속 음극의 성능을 동시에 높일 수 있는 전해액 설계원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다”면서 “차세대 전지 전해액 설계산업 전반에 걸쳐 넓게 응용되기를 기대한다”고 말했다.

KAIST 생명화학공학과 석사졸업생인 추현원 학생(현재 MIT 박사과정 재학 중)과 정진관 박사과정이 공동 제1저자로 참여한 연구결과는 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced energy materials)에 6월 2일 게재됐다.

이 연구는 LG화학, KAIST 나노융합연구소, 과학기술정보통신부 기후변화대응과제의 지원을 받아 수행됐다.