충전시간 6배 길어지고 500회 충전해도 초기 성능 유지하는 이차전지 개발

한 번 충전으로 사용시간이 6배 길어지고 500회 충전해도 초기 성능을 유지하는 이차전지가 개발됐다.

29일 포스텍에 따르면 이진우 교수팀이 리튬과 황을 함께 이용해 기존보다 6배 이상 효율이 높으면서 더 오랫동안 사용할 수 있는 리튬-황 이차전지를 개발했다.

이 연구 성과는 나노 분야 세계적 권위지인 ‘ACS Nano지’를 통해 발표됐다.

이차전지는 리튬으로 만드는데 그동안 리튬전지의 양극 물질로 황을 이용하려는 시도를 계속해왔다. 황을 양극으로 사용하면 에너지 효율이 획기적으로 좋아지기 때문이다. 그러나 황을 사용하다 보면 부풀어 오르거나 흘러나와 수명이 줄어들게 돼 상용화가 힘들었다.

이 교수팀은 기공 부피가 크고 균일한 메조 다공성 탄소 마이크로스피어 합성으로 황을 안전하게 많이 담아내는 데 성공했다. 메조 다공성 탄소 마이크로스피어를 사용하면 충전과 방전을 계속해도 황이 빠져나가지 않게 꽉 잡아둘 수 있고, 기공 부피 공간이 커서 황을 많이 담을 수도 있어서 전지의 수명과 효율을 함께 높일 수 있다.

기존의 탄소 소재는 극성을 띠지 않기 때문에 물질 간 상호작용이 없어서 효율을 높이는 데 한계가 있었다. 연구팀은 이것을 해결하기 위해 탄소 표면에 Fe-N-C(철-질소-탄소)를 균일하게 분포했는데 이 물질이 촉매점이 돼 황의 산화에 영향을 미쳐 전기화학적 반응을 빠르게 해 효율을 한 번 더 높일 수 있었다.

특히 Fe-N-C 촉매는 가격도 싼데다 소량만 써도 고밀도 전극을 구현할 수 있고, 단 5분 동안 빠르게 충전과 방전해도 최대 500번 까지 초기 용량의 84%를 유지할 수 있어서 반복해서 오래 사용할 수 있게 된 점도 획기적이다.

이 교수는 “신재생 에너지 전력의 안정적인 공급과 전기 자동차의 효율적인 구동을 위해 고용량 리튬-황 이차전지 양극 소재 개발은 반드시 이뤄져야 했다”며 “안정적인 수명을 지닌 양극 소재 개발의 독보적인 기술을 확보했다”고 말했다.

포항=장영태 기자 [e-mail]