전북대 연구진, 차세대 에너지 저장장치 ‘리튬-황 전지’ 개발

저영영 박사과정, 응웬탄투안 박사후연구원, 김남훈 교수, 이중희 교수 (왼쪽부터). 전북대 제공

전기자동차 등에 많이 사용하는 리튬 이차 전지의 성능을 뛰어넘어 유황을 양극 소재로 활용한 차세대 에너지저장장치(ESS)가 전북대 연구진에 의해 새롭게 개발됐다.

9일 전북대에 따르면 이중희·김남훈 교수(나노융합공학과) 연구팀은 저영영(박사과정), 응웬탄투안(박사후 연구원)씨와 협업 연구를 통해 최근 금속유기골격체(MOF)를 이용해 질소가 도핑된 나노 탄소층과 탄소나노튜브로 캡슐화한 ‘셀렌화코발트·산화코발트 이종 나노구조체 전극’을 개발했다.

또 이를 통해 리튬-황 전지의 성능을 좌우하는 황 로딩량을 크게 향상시키고 전해질 사용량을 감소시켜 에너지 밀도를 크게 높이는 방식으로 전지 수명을 대거 늘린 ‘리튬-황 전지’ 양극을 개발하는 데 성공했다.

현재 전기자동차 등에 사용 중인 에너지 저장 장치 대부분은 리튬 이차 전지로 에너지 저장 효율과 밀도가 낮고 안전성이 떨어지는 한계를 안고 있다.

리튬-황 전지는 이를 극복하기 위한 대표적인 유망 전지 중 하나로 꼽힌다. 리튬-황 전지는 자연계에 풍부하게 존재하는 유황을 양극 소재로 사용해 가격이 저렴한 게 장점이다. 또 기존 리튬-이온전지에 비해 에너지 밀도가 5배 향상된 성능 구현이 가능해 전기동력 기체 무게를 크게 줄일 수 있다.

하지만, 리튬-황 전지는 아직 초기 개발 단계로 내구성과 성능에 한계를 노출해 시장 확대에 어려움이 있다. 황의 낮은 전기 전도성과 충·방전 시 황의 급격한 부피 팽창, 전기화학 반응 중 생성되는 리튬 폴리설파이드가 전해액에 쉽게 녹아 전지 용량과 내구성을 감소시킨다. 리튬 덴드라이트로 인해 전지 폭발 또는 발화 현상이 발생하는 단점도 있다.

이러한 문제점 해결을 위해 전북대 연구진은 ‘셀렌화코발트·산화코발트 이종 나노구조체 전극’을 개발했다. 연구에 사용한 산화코발트는 강력한 황 흡착 특성을 나타내고 셀렌화코발트는 폴리설파이드 전환 반응에 대한 촉매 특성을 향상할 수 있다.

이 두 물질의 하이브리드화를 통해 우수한 전기 전도도와 리튬폴리설파이드와의 강한 결합력, 높은 촉매 활성 반응을 이끌어 리튬-황 전지의 셔틀링 효과를 억제한 고성능·고내구성 리튬-황 전지를 개발할 수 있었다는 게 연구팀의 설명이다.

이중희 교수는 “새로 개발한 고성능 양극 소재 대량 생산기술을 리튬-황 전지뿐만 아니라 다양한 에너지 저장·변환 장치 전극 소재 등에 적용할 수 있을 것으로 기대한다“고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지역혁신선도연구사업(RLRC)을 지원받아 수행했으며, 에너지 분야 세계 최고 학술지인 ‘어드벤스드 에너지 머터리얼’ 최신 호에 실렸다.

전주=김동욱 기자 [e-mail]