DGIST 에너지공학과 유종성 교수 연구팀은 황(sulfur) 활물질 활물질 : 전지가 방전할 때 화학적으로 반응해 전기에너지를 생산하는 물질이 담겨진 다공성 실리카 실리카(silicon dioxide, SiO2) : 이산화규소(SiO2)를 지칭하며 암석이나 토사의 주성분으로 광섬유, 수정진동차 등 하이테크의 기본이 되는 소재. 결정형의 차이에서 석영, 수정, 수정 유리, 실리카겔이 됨 중간층 (interlayer) 기술을 개발했다.
이번 연구는 에너지 밀도와 안정성이 중요한 ‘차세대 리튬-황 전지’ 연구개발 및 상용화 분야의 터닝 포인트가 될 것으로 기대된다.
최근 대용량 에너지 저장장치의 수요가 증가하면서 리튬이온 전지를 대체 할 수 있는 고에너지, 저비용 차세대 이차전지 연구가 활발하다. 하지만 리튬과의 반응 과정에서 전기에너지를 생산하는 활물질인 ‘황’의 낮은 전도율과 전지의 충전과 방전시 생성되는 다황화물 다황화물 : 황화 알칼리 수용액을 방치하거나, 황화 알칼리 수용액에 황을 녹여서 만드는 화합물. 물에 잘 녹으며, 산을 넣으면 ‘황’의 결합을 분리시키는 특성이 존재함 이 전지의 음극 쪽으로 확산되면서 황 활물질의 손실이 발생해 전지의 용량과 수명이 크게 악화된다는 단점이 있다.
중간층 기술로 리튬-황 전지의 용량과 수명 향상을 위해 기존에 활용 중인 ‘전도성 탄소’는 황 전극에 전도성을 부여했지만, 극성 리튬 다황화물과의 친화력이 낮아 황의 확산을 막지 못하는 문제가 발생했다. 반면 ‘극성 산화물’을 중간층 소재로 활용하는 경우 극성 리튬 다황화물과의 상호작용이 뛰어나 황의 손실이 억제됐지만, 전도도가 낮아 황의 활용도가 낮아지게 되는 단점이 있다. 또한 기존에 적용된 다양한 중간층 물질들은 공통적으로 두껍고, 산화환원 활성이 없는 중간층의 삽입으로 인해 상용화에 필요한 에너지 밀도와 사이클 수명을 달성하지 못한다는 단점이 있었다.
이에 연구팀은 판상형 다공성 실리카를 합성하고 그 안에 황을 담아서 산화환원 활성이 있는 새로운 다공성 실리카/황 중간층을 최초로 구현했다. 연구팀은 중간층에 담겨진 황 활물질로 전지 면적당 용량이 증가하고, 효과적인 리튬 다황화물 흡착 자리로서 극성 실리카/황 중간층이 존재함으로 리튬-황 전지의 용량과 수명 효율을 극대화 할 수 있다고 예상했다.
이를 규명하기 위해 실리카/황 중간층을 리튬-황 전지에 적용, 700회의 충전과 방전을 구동해 보았는데, 그 결과 700회 충방전 사이클 이후에 다공성 실리카/황 중간층이, 지금까지 통상적으로 사용 됐던 다공성 탄소/황 중간층 대비 탁월한 장기 안정성을 보여줬다. 특히, 10 mg/cm2 수준의 높은 황 함유량에도 높은 용량과 함께, 탁월한 장기 수명 특성을 증명했다.
본 연구는 세계적 학술지로 인정받는 네이쳐지 자매지인 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 지난 8월8일자 온라인판에 게재됐다.