DGIST(총장 국양)는 유종성 에너지시스템공학전공 교수팀이 기존 황 복합전극 소재인 다공성 탄소 대신 '다공성 실리카'를 사용해 안정성과 수명을 동시에 향상시킨 리튬-황 전지를 개발했다고 19일 밝혔다.

최근 전기자동차, IOT 기술 등이 발전하면서 고효율 차세대 이차전지 연구가 활발하다. 그 중 리튬-황 전지는 기존 리튬이온 전지보다 5배 이상 높은 에너지 밀도를 갖고 있어 장시간 사용이 가능하다.

하지만 리튬-황 전지에 사용되는 황은 충전·방전 중에 생성되는 리튬 다황화물로 인해 황 활물질 손실이 발생, 전지의 수명과 용량이 크게 악화된다는 단점이 있다. 

연구진은 다공성 실리카를 새롭게 합성해 다공성 실리카-황 복합전극을 최초로 구현했다. 기존 다공성 탄소는 황의 낮은 전기전도도를 향상시키지만, 극성이 없어 리튬 다황화물과 친화력이 낮아 황 손실이 컸다. 반면 연구팀이 고안한 다공성 실리카는 비전도성이지만 극성 성질 때문에 극성 리튬 다황화물과 뛰어난 상호작용으로 황 손실을 억제할 수 있을 것으로 예측했다.

이를 규명하고자 연구팀은 다공성 탄소와 다공성 실리카를 리튬-황 전지에 적용해 2000회 이상의 충전과 방전을 동일하게 구동했다. 그 결과 다공성 실리카의 더욱 뛰어난 내구성을 확인했다. 또한 기존 리튬-황 전지 연구에서 보고된 2mg/㎠ 이하의 황 함유량보다 약 3배 이상인 6.5 mg/㎠ 수준의 높은 황 함유량을 포함하며 뛰어난 용량과 수명을 증명해냈다.

유종성 교수는 "지금까지 시도하지 못한 다공성 무기질 구조 물질을 새로운 황 복합전극 소재로 이용할 수 있음을 최초로 규명한 연구성과"라며 "차세대 고내구성 리튬-황 전지 개발에 대한 새로운 패러다임을 제공할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 아민 카릴(Amine Khalil) 미국 아르곤 국립연구소(ANL) 박사팀과 공동협력으로 진행됐으며, 이병준 DGIST 에너지공학전공 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했다. 아울러 에너지과학 분야의 세계적 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials)' 온라인판에 지난 22일 자로 게재됐다.