KAIST, 전해액 함량 4분의 1로 줄인 리툼-황 전지 개발

전기 동력 기체 무게 줄이는데 기여

KAIST(총장 신성철)는 생명화학공학과 김희탁 교수팀이 기존 대비 전해액 함량을 4배 이상 줄인 리튬-황 전지를 개발했다고 25일 밝혔다.

리튬-황 전지는 차세대 배터리 기술 중 연구개발이 가장 활발히 이뤄지는 기술이다. 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용하는 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 2~3배 높아 전기동력 기체 무게를 줄일 수 있다. 특히 가벼운 황과 리튬금속을 활물질(화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산하는 물질)로 이용하기 때문에 중금속 기반인 리튬이온전지에 비해 경량화가 유리하다.

특히 지구에 풍부하게 존재하는 황을 활용해 저가의 전지를 구현할 수 있다는 점 때문에 산업계와 학계에서 주목을 받아왔다.

다만 리튬-황 전지는 리튬이온전지와 달리 매우 높은 전해액 함량을 갖고 있다. 전지 무게의 40%에 달하는 과량의 전해질 사용은 전지 무게 증가로 리튬-황 전지의 고에너지밀도 구현에 큰 걸림돌이 돼왔다. 리튬-황 전지는 황이 방전되고 난 후의 산물인 `리튬 폴리 설파이드(Lithium poly sulfide)'가 전해액에 용해된 상태에서 빠른 충, 방전 특성을 갖는다.

이 전해액 양을 낮추면 리튬 폴리 설파이드 용해량이 감소, 용량 및 출력이 저하하는 문제가 발생한다. 또 리튬금속 음극이 전해액을 분해해 전해액이 고갈되는 문제는 낮은 전해 액체량에서 더욱 심해져 결국 전지 수명을 떨어뜨린다.

김희탁 KAIST 교수(왼쪽)와 정진관 박사과정

김희탁 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 리튬 나이트레이트 염과 같이 높은 전자공여(다른 화합물에 전자를 주는 성질) 능력이 있는 염을 전해질에 주입하면 폴리 설파이드 용해도를 증가시킴과 동시에 리튬금속에서 전해질 분해를 억제할 수 있음을 규명했다.

김희탁 교수팀은 이번 연구를 통해 전해액 성분 중 리튬 염 물질 하나만을 교체하는 간단한 방법으로 에너지 밀도를 높이면서 고가의 전해액 사용량을 4배 이상 줄여 가격을 대폭 절감하는 성과를 거뒀다.

김 교수는 "이번 연구는 황 양극과 리튬금속 음극의 성능을 동시에 높일 수 있는 전해액 설계원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 밝혔다.

KAIST 생명화학공학과 석사졸업생인 추현원 학생(현 MIT 박사과정 재학 중)과 정진관 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced energy materials) 6월 2일자 표지논문에 실렸다. (논문명: Unraveling the Dual Functionality of High-Donor-Number Anion in Lean-Electrolyte Lithium-Sulfur Batteries). 한편, 이번 연구는 LG화학, KAIST 나노융합연구소, 과학기술정보통신부 기후변화대응과제 지원을

기존 전해액과 KAIST 개발전해액의 리튬 용매화 껍질 구조 차이

받아 이뤄졌다.