경상국립대 정현영 교수. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 정현영 교수팀이 선택적으로 이온을 통과시키는 분리막을 적용해 리튬-황 전지의 고질적 문제를 해결하고 상용화를 앞당길 수 있는 기술을 개발했다.

연구 결과는 재료과학 분야 상위 5%의 학술지 '에너지 스토리지 머터리얼즈(Energy Storage Materials)'(IF=17.789) 최신호에 '선택적으로 이온을 통과시키는 초경량 하이브리드 분리막을 적용한 고성능 리튬-황 전지(Selective ion transport of catalytic hybrid aerofilm interlayer for long-stable Li-S batteries)'라는 제목으로 게재됐다. 제1저자는 김동원 고려대학교 연구원이고, 공동1저자는 첸라얀 센틸(Chenrayan Senthil) 박사이다.

리튬-황 전지는 정부의 'K-배터리 발전 전략'에 따라 2025년까지 상용화하는 것을 목표로 우리나라의 이차전지 기술력 확보를 위한 핵심 기술로 연구개발(R&D)되고 있다.

리튬-황 전지는 현재 사용되고 있는 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도가 5배나 높고 값비싼 희토류 대신 자연계의 풍부한 황을 전극 물질로 사용해 미래 이차전지 시장을 이끌어 가기 위한 핵심 연구 기술로 여겨진다. 하지만 리튬-황 전지는 사용 중 폴리설파이드의 용출 및 황의 부피 팽창으로 인한 수명·안전성 저하라는 난제가 존재해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 분리막은 이온 전달을 위한 통로 및 양 전극을 분리하는 역할로서만 사용되고 있다.

정현영 교수팀이 개발한 초경량 하이브리드 분리막은 폴리설파이드를 막고 선택적으로 리튬 이온만을 통과시켜 리튬-황 전지의 우수한 용량 및 수명 특성을 입증해 리튬 황 전지에서 폴리설파이드 용출이라는 난제를 극복한 우수한 연구로 평가받고 있다. 또한 연구팀은 자연에 널리 존재하는 망간을 나노와이어 구조로 제조해 복합화한 분리막을 개발함으로써 상용화에 매우 유리할 것으로 기대된다.

또한, 폴리설파이드의 흡착에너지를 분자동역학적으로 계산해 하이브리드 분리막의 우수성을 이론적으로 입증했다.

현재 개발된 리튬 황 전지의 수명은 200사이클 정도로 성능이 매우 저조하지만 연구팀이 개발한 초경량 하이브리드 분리막이 적용된 리튬-황 전지는 500사이클 동안 안정적으로 구동됐으며 1189mAh/g의 높은 용량을 구현했다.

특히, 개발된 초경량 분리막은 360도 구부려도 멀쩡한 유연한 특성을 가졌으며 기존 분리막은 120℃의 온도에서 변형이 일어나는 반면 이번에 개발한 리튬 황 전지는 300℃ 이상의 고온에서도 안정적인 특성을 보여 극한의 상황에서 작동 가능한 획기적인 연구 결과로 평가받는다.

교신저자인 정현영 교수는 "이번 연구 결과가 초경량 전지가 사용되는 항공기 및 첨단 기기 개발에 도움이 되고 우리나라 이차전지 시장을 이끌어갈 리튬-황 배터리 연구의 초석이 됐으면 한다"고 기대했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단의 기초연구실 지원사업과 교육부, 한국연구재단의 지역대학우수과학자 지원사업 후속연구의 지원을 받아 수행했다.