국내 연구진이 비타민C로 처리된 황(S8) 나노입자를 활용해 전기자동차 리튬황 배터리 성능을 향상시키는 데 성공했다.
이재영 GIST 환경공학부 교수가 주도하고 김진원 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 한국생산기술연구원이 주관하는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업으로 수행됐다.
리튬황 배터리는 한국과학기술정보연구원이 선정한 ‘2014 미래유망기술 10선’ 중 하나로, 단위 무게 이론적 에너지 밀도가 최대 2,100wh/㎏으로 리튬이온전지 5.4배에 이르는 대용량 차세대 배터리다.
친환경 이동수단인 전기자동차 주동력원으로 사용되고 있는 리튬이온전지는 용량이 작은데다 고출력을 위해 필요한 부피 면적이 크고 무거워 성능 개선에 어려움을 겪고 있다.
최근 리튬이온전지를 대체할 동력원으로 가볍고 경제적이며 용량이 큰 리튬황 배터리가 주목받고 있지만 황의 비전도성과 전기화학적 충방전 시 중간산물인 폴리설파이드 용출로 인한 충방전 사이클 성능의 급격한 저하 문제는 아직까지 극복할 과제로 남아 있다.
연구팀은 친환경적이고 경제적인 비타민C를 녹색합성공정에 도입해 황 나노입자·그래핀 복합체를 합성하고, 그래핀 산화물의 환원 정도를 조절해 이중층 양극 구조를 구현한 리튬황 배터리를 개발했다.
연구팀은 약산인 비타민C 파우더를 물에 녹인 뒤 입자 크기를 20~30㎚로 균일하게 그래핀 표면 위에 합성하고, 이를 전극의 활성층에 사용했다.
연구팀은 폴리설파이드의 용출을 화학적·물리적으로 억제해 리튬 음극과 전해질을 오염시키지 않을 수 있었고, 황 이용률 극대화를 통해 리튬황 배터리의 사이클 성능을 기존보다 20% 향상시킬 수 있었다.
이재영 교수는 “이번 연구 결과는 비타민C를 활용한 친환경적인 방법으로 리튬황 배터리 상용화의 극복 과제였던 낮은 사이클 안정성을 향상시킨 데 큰 의미가 있다”며 “향후 차세대 전기자동차용 배터리의 적용 가능성을 더욱 높일 것”으로 기대했다.
광주=서인주기자 sij@etnews.com