경상국립대학교 정현영 교수팀이 개발한 희박 전해질에서 작동하는 리튬-황 전지의 작동원리. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 정현영 교수팀이 황화-트라이아진 고분자 구조를 적용해 전해액을 적게 사용하고도 고성능을 발휘하는 리튬-황 배터리를 개발해 차세대 배터리의 상용화 기술에 한 걸음 더 다가섰다.

리튬-황(Li-S) 배터리는 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리 시장의 주도권을 잡기 위해 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 대기업 3사뿐만 아니라 연구기관에서 기술 확보에 사활을 걸고 있는, 미래 배터리의 가장 유력한 기술 가운데 하나이다.

리튬-황 배터리는 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용되는 리튬이온 배터리에 비해 에너지밀도가 높고 환경 친화적이다. 또한 매장량이 풍부하고 가격이 싼 유황을 사용하는 등 많은 매력이 있다. 에너지밀도란 전기차 주행거리를 좌우하는 요소이다. 에너지밀도가 높을수록 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리가 길어져 에너지밀도를 높이는 기술은 반드시 확보돼야 한다. 현재 상용되는 리튬이온 배터리는 최대 250Wh/kg의 한계 에너지밀도를 가지며, 최근 주행거리는 500km 내외이다.

리튬-황 배터리의 이론적 에너지밀도는 2567Wh/kg로서 리튬이온 배터리의 약 10배이다. 그러나 실제 상용화 가능한 에너지밀도를 달성하기에는 현재 사용하고 있는 에테르 기반 전해액의 ‘용해-침전’ 반응으로 인해 많은 제약이 있다. 그 주된 이유는 양극 내 유황 활물질이 다황화물의 형성으로 많은 손실이 발생하기 때문이다.

두 가지 해결책이 이용됐는데, 하나는 적당한 호스트물질을 도입해 황 활성도를 높이거나, 다른 하나는 과량의 전해액을 사용해 전지의 사이클 특성을 향상시키는 방법이다.

그러나 전지 무게의 40%에 달하는 과량의 전해액을 사용할 경우, 전해액 대 전극의 비율이 30µL/mg 이상이면 리튬-황 배터리의 에너지밀도는 130wh/kg이 한계이다.

정현영 교수팀은 트라이아진에 유황을 화학적으로 공유결합시켜 양극으로 제조하는 기술을 개발해 소량의 희박 전해액에서도 고성능을 발휘하는 리튬-황 배터리를 성공적으로 작동시켰다. 연구팀에서 개발한 황화-트라이아진 고분자 양극은 전해액 대 전극의 비율이 4µL/mg인 희박 전해액에서도 우수한 황 반응성과 수명 특성을 보였다.

특히 배터리의 충·방전 동안 발생한 다황화물의 양극 내 흡착은 피리딕-N(pyridinic-N)과 피롤릭-N(pyrrolic-N)을 포함하는 벌크 고정을 통해 분자 방식으로 조절된다는 사실을 실험뿐만 아니라 계산화학 결과로도 밝혀냈다. 또한 연구팀은 희박 전해액을 사용한 리튬-황 파우치 셀을 개발해 시연하는 데 성공했으며, 371Wh/kg의 높은 에너지밀도를 보였다.

교신저자인 정현영 교수는 "리튬-황 배터리는 전고체전지와 함께 차세대 K-배터리의 핵심축이며, 전지 시장을 계속적으로 선도하기 위해서는 조기 상용화가 반드시 필요하다. 저렴하면서도 에너지밀도가 높은 리튬-황 배터리의 차별화된 기술과 기술적 한계를 뛰어넘는 개발을 위해 최선의 노력을 다하겠다"고 각오를 밝혔다.

이번 연구는 저명한 국제 학술지 '에너지 스토리지 머터리얼즈(Energy Storage Materials)'(IF=20.831) 2023년 1월호에 '분자 폴리설파이드를 소거하는 황화-트라이아진 폴리머로 희박 전해질 하에서 고에너지밀도 리튬-황 전지 구현 (Molecular polysulfide-scavenging sulfurized–triazine polymer enable high energy density Li-S battery under lean electrolyte)'이라는 제목으로 게재됐다. 제1저자는 정현영 교수팀의 나노배터리실험실 첸라얀 센틸 박사이다.

연구성과는 과학기술정보통신부/한국연구재단의 기초연구실지원사업과, 교육부/한국연구재단의 지역대학우수과학자지원사업의 지원을 받아 수행했다.