KAIST, 에너지밀도 우수한 리튬황이온전지 개발

생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀...600사이클 이상 수명 지녀

KAIST(총장 신성철)는 생명화학공학과 김희탁 교수(나노융합연구소 차세대배터리센터) 연구팀이 기존 리튬이온전지보다 높은 에너지 밀도를 가지면서 저렴하고 600사이클 이상의 수명을 갖는 도넛 모양 활물질 구조 리튬황이온전지를 개발했다고 24일 밝혔다.

리튬황이온전지는 양극으로 황화리튬을, 음극으로 기존 리튬이온전지에서 사용하는 흑연을 이용한 신개념 리튬이온전지다.

팽민 예(Fangmin Ye) 연구교수가 1저자로 참여한 이번 연구는 재료과학분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 5월 7일자 온라인 판 논문에 게재됐다.

전기자동차 배터리로 사용하는 리튬이온전지는 낮은 에너지밀도로 1회 충전 당 가능 주행 거리가 짧다. 이 때문에 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 리튬황전지 개발이 지난 10여 년 간 경쟁적으로 이뤄졌다. 하지만 리튬황전지는 음극인 리튬금속전극의 취약한 가역성으로 전지 사이클 수명 확보에 어려움이 있었다.

도넛 모양 황화리튬 활물질 구조 및 제조 원리.

문제 해결을 위해 리튬금속음극 대신 리튬이온전지에 사용하는 사이클 수명이 우수한 흑연음극 이용과 함께 용량이 높은 황화리튬(Li2S) 양극을 결합, 에너지 밀도와 수명 향상에 힘써왔다. 그러나 황화리튬이 고가이고 흑연음극과 황화리튬 양극의 사이클 수명을 동시에 만족하는 전극 및 전해액 설계기술이 없어 기술적인 한계가 있었다.

카이스트 연구팀은 저가 황산리튬(Li2SO4)을 원재료로 도넛 모양의 황화리튬 양극 활물질을 제조했다. 그리고 고농도 염 전해액을 이용해 흑연음극과 황화리튬 양극을 이용한 리튬황이온 전지를 구현했다.

내부가 비어있는 도넛 모양의 황화리튬은 리튬이온의 전달력을 향상시켜 높은 충,방전 가역성을 보였다. 또 고농도 염 전해액은 흑연전극 표면에 안정적인 막을 형성해 우수한 내구성을 보였다.

카이스트 연구팀은 이 기술을 통해 기존 리튬이온전지보다 30% 높은 에너지 밀도를 구현함과 동시에 600사이클 이상의 수명을 확보하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀의 도넛모양 황화리튬 전극은 저가 원재료를 이용하고 단일 열처리 공정으로 제조할 수 있으며, 기존 리튬이온전지에 적용할 수 있어 산업적으로 활용 가능할 것으로 보인다.

김희탁 교수는 “저가 황 화합물을 리튬이온전지에 적용해 에너지밀도와 수명을 동시에 향상시킬 수 있음을 증명했다”고 설명했다. 이번 연구는 KAIST 나노융합연구소와 한국과학기술연구원 및 한국연구재단 기초연구지원사업 지원을 받아 수행됐다.

김희탁 KAIST 교수(오른쪽)와 1저자로 참여한 팽민 예 연구교수.