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[특구] 리튬-황 이차전지 활용 가능성을 높이다… 이진우 KAIST 교수 연구팀 성과

전지 전력 공급 효율 높일 황 담지체 개발

한윤창 기자

한윤창 기자

  • 승인 2019-01-28 14:26

신문게재 2019-01-29 13면

카이스트
이진우 KAIST(총장 신성철) 생명화학공학과 교수 연구팀(제1저자: 임원광 석박통합과정)이 리튬-황 이차전지의 성능을 높이는 데 성공했다. 서로 다른 크기의 기공(미세 구멍)을 갖는 구조의 무기소재를 합성해 황 담지체(특정 성분을 담는 물질)를 개발함으로써 리튬-황 이차전지의 활용 가능성을 높였다.

연구팀은 다차원 상분리 현상을 동시에 유도해 각기 다른 두 종류·크기의 기공을 갖는 티타늄질화물(무기물질)을 합성했고, 이를 황 담지체로 활용해 우수한 수명 안정성과 속도를 갖는 리튬-황 이차전지를 구현했다.

최근 각광 받고 있는 전기차·스마트 그리드 등의 기술은 대용량 에너지를 제어해야 하는 시스템인 까닭에, 이를 효율적으로 활용하기 위한 차세대 이차전지 개발의 필요성이 커지고 있다. 리튬-황 이차전지는 이론적으로 기존 리튬 이온 이차전지보다 약 7배 이상 높은 에너지 밀도 특성을 보인다. 또 황의 저렴한 가격이 전지 생산 단가를 크게 낮출 수 있을 것으로 기대되는 중이다.



그럼에도 리튬-황 이차전지는 상용화까지 풀어야 할 숙제가 몇 가지 남아 있는 상황이다. 양극에서 황의 낮은 전기 전도도와 충·방전 과정 중 전극으로 새어나가는 현상이 해결 과제로 꼽힌다. 이 점을 해결하기 위해 황을 안정적으로 담을 수 있는 그릇 역할의 소재, 즉 황 담지체에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

이처럼 기존 극성 표면의 무기 소재들이 띠는 구조적 특성을 제어할 방법이 없다는 한계점을, 연구팀이 통해 극복한 것이다. 50나노미터 이상 크기의 매크로 기공과 50나노미터 이하의 메조 기공을 동시에 지닌 계층형 다공성 구조의 티타늄질화물 기반의 황 담지체를 개발했다.

티타늄질화물은 황과의 화학적 작용력이 매우 강하고 전기 전도도가 높아 충·방전 과정에서 황이 전극으로부터 빠져나가는 것을 막아준다. 더불어 황의 전기화학적 산화·환원 반응을 빠르게 해준다.

한정우 포항공대 화학공학과 교수와 공동으로 진행한 이번 연구(제1저자: 임원광 석박통합과정)는 재료 분야 국제 학술지 어드밴스드 머티리얼즈' 1월 15일자 표지논문에 게재됐다. LG화학과 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 중견연구자지원사업의 지원을 통해 연구가 수행됐다.

이진우 KAIST 교수는 "이번 연구를 통해 안정적인 수명을 지닌 양극 소재 개발의 독보적인 기술을 확보했다"며 "리튬-황 이차전지가 지닌 문제점을 해결하기 위한 연구는 여전히 필요하다"고 말했다.
한윤창 기자 storm0238@

이진우 교수, 임원광 연구원1
이진우 교수, 임원광 연구원.
계층형 다공성 티타늄질화물 합성전략 모식도
계층형 다공성 티타늄질화물 합성전략 모식도.
채택된 저널 표지 원본
채택된 저널 표지 원본.
합성된 계층형 다공성 티타늄질화물 전자현미경 사진
합성된 계층형 다공성 티타늄질화물 전자현미경 사진.

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