국내 연구팀이 리튬-황 배터리 성능향상 방법을 제시하며 상용화 실마리를 만들었다.
경희대(총장 한균태)는 이정태 식물·환경신소재공학과 교수와 김두호 기계공학과 교수 연구팀은 새로운 방법으로 리튬-황 배터리를 설계, 리튬 설파이드의 화학적 결합과 고체 상변화 과정에서 일어나는 상호작용에 집중해 의미있는 결과를 도출했다고 23일 밝혔다.
연구팀은 리튬-황 배터리가 충·방전될 때 황이 리튬 설파이드로 환원되는 과정이 매우 느리고, 에너지 효율이 낮고 수명이 짧다는 점에 착안해 리튬 설파이드 결정에 셀레늄과 텔루륨을 도핑해 리튬 설파이드 환원 과정을 촉진했다.
셀레늄과 텔루륨 도핑으로 형성된 이온 반지름은 리튬 설파이드 결정 속 결합 길이를 늘어나게 만들어 결합의 세기를 약하게 유도한다. 이에 따라 충전 및 방전 과정 중 리튬 이탈과 흡착이 더 수월하게 일어나, 리튬 설파이드 상변화 과정이 더 유연하게 일어난다.
성능적 개선도 진행됐다. 셀레늄과 텔루륨 도핑 이전과 전압을 비교해봤을 때 연구진이 개발한 배터리가 1.05배 더 높은 전압을 기록했다. 용량 역시 도핑 후 1.2배 늘어났다.
또 이번 연구 결과는 리튬-황 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 발단을 제시했다. 이번 연구에서 제안한 전략은 고에너지 밀도의 리튬-황 배터리 설계 가능성을 제시해 의미가 있다. 원자 수준에서 양극 소재 구조 변화와 특성 강화를 이끄는 전략은 리튬-황 배터리 성능을 높이는 한편 비용을 절감하는 데 중요한 역할을 한다.
이 교수는 “이번 연구는 리튬-황 배터리의 가능성을 확인한 결과”라고 평가했으며, 김 교수는 “경희대 구성원이 모여 의미 있는 결과를 이뤘다. 사전 연구가 축적된 만큼 이를 활용해 차세대 전지 상용화를 위해 노력할 것”이라고 말했다.
이번 논문은 연구의 탁월성을 인정받아 세계적인 학술지 ‘Advanced Energy Materials(IF=29.698)’에 게재됐다.
수원=김동성 기자 estar@etnews.com
