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KAIST, 전해액 사용량 4배 줄인 '리튬-황 전지' 개발

김희탁 교수 연구팀, 차세대 전지 전해액 설계기술 개발
김희탁 KAIST 교수 연구팀이 차세대 전지 전해액 설계기술을 개발했다.<사진=KAIST 제공>김희탁 KAIST 교수 연구팀이 차세대 전지 전해액 설계기술을 개발했다.<사진=KAIST 제공>
KAIST(총장 신성철)는 김희탁 생명화학공학과 교수팀이 기존 대비 전해액 함량을 4배 이상 줄인 리튬-황 전지를 개발했다고 25일 밝혔다. 리튬-황 전지는 가벼운 황과 리튬금속을 활물질로 이용해 리튬이온전지에 비해 경량화가 가능하다. 전기동력 기체무게를 크게 줄일 수있을 것으로 기대된다.

황은 지구에 풍부하게 존재해 저가 전지를 구현할 수 있어 많은 주목을 받았다. 다만 리튬-황 전지는 리튬이온전지와 달리 매우 높은 전해액 함량을 가진다. 전지 무게의 40%에 달하는 과량의 전해질 사용은 리튬-황 전지의 고에너지밀도 구현에 큰 걸림돌이 돼왔다.  

이 외에도 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 설파이드의 용해량이 감소해 용량 및 출력이 저하되는 문제가 발생한다. 또 리튬금속 음극이 전해액을 분해해 전해액이 고갈되는 문제는 낮은 전해 액체량에서 더욱 심해져 결국 전지 수명을 떨어뜨린다. 

김 교수팀은 리튬 나이트레이트 염과 같이 높은 전자공여(다른 화합물에 전자를 주는 성질)능력이 있는 염을 전해질에 주입하면 폴리 설파이드의 용해도를 증가시킴과 동시에 리튬금속에서 전해질 분해를 억제할 수 있음을 규명했다. 

리튬이온과 결합력이 강한 나이트레이트 음이온이 리튬이온의 '용매화 껍질(Solvation Shell)' 역할을 수행함으로써 리튬 폴리 설파이드의 해리도를 증가시켜 결과적으로 용해도가 향상된다는 사실도 증명했다. 또 용매화 껍질 구조변화가 전해액 용매 분자와 리튬금속과의 접촉을 낮춰 분해반응을 억제하는 현상도 확인했다. 

연구관계자는 이번 성과가 전해액 성분 중 리튬 염 물질 하나만 교체하는 간단한 방법으로 에너지 밀도를 높이면서 고가의 전해액 사용량을 4배 줄여 가격을 대폭 절감할 수있을 것으로 기대했다.

김희탁 교수는 "이번 연구는 황 양극과 리튬금속 음극의 성능을 동시에 높일 수 있는 전해액 설계원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다ˮ면서 "차세대 전지 전해액 설계산업 전반에 걸쳐 넓게 응용되기를 기대한다"고 말했다. 

연구결과는 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 지난 2일자에 실렸다.

 
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