연구성과

화공 이진우 교수팀, 500회 충전해도 초기 성능 유지하는 이차전지 개발

2018-05-28 348

[안정적 수명 지닌 리튬-황 이차전지 독보적 기술 확보]

이진우교수,임원광씨

화석연료로 움직이는 일반자동차와 달리 전기자동차는 이차전지가 전원을 공급해 모터를 움직이기 때문에 이차전지가 매우 중요하다. 짧은 시간에 충전이 되면서 오래 사용할 수 있고, 시간이 지나도 계속 초기의 성능을 유지할 수 있는 이차전기를 개발하는 일은 전기자동차 뿐 아니라 신재생 에너지 전력의 안정적인 공급을 위해서도 꼭 필요하다. 국내 연구팀이 리튬과 황을 함께 이용해 기존보다 6배 이상 효율이 높으면서 더 오랫동안 사용할 수 있는 리튬-황 이차전지를 개발해 주목을 모으고 있다.

화학공학과 이진우 교수팀은 통합과정 임원광 씨, 한정우 교수팀과 함께 메조 다공성 탄소 마이크로스피어를 통해 황(sulfur)을 안전하게 제어해 효율이 높고 가격도 저렴한 리튬-황 이차전지 개발에 성공했다. 이 연구 성과는 나노 분야 세계적 권위지인 ACS Nano지를 통해 발표됐다.

우리가 흔히 사용하는 이차전지는 리튬으로 만든 것인데, 과학자들은 리튬전지의 양극 물질로 황을 이용하려는 시도를 계속해왔다. 황을 양극으로 사용하면 에너지 효율이 획기적으로 좋아지기 때문이다. 하지만 황은 사용하다 보면 부풀어 오르거나 흘러나와 수명이 줄어들게 돼 상용화가 힘들었다. 황을 흘러나오지 않게 담아두면서 많이 담아 에너지 효율이 높이는 기술이 필요했다.

연구팀은 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 싼데다가 소량(0.33%)만 써도 고밀도 전극(5.2 mg/cm²)을 구현할 수 있고, 단 5분 동안 빠르게 충전과 방전해도 최대 500번 까지 초기 용량(384mAh/g)의 84%를 유지할 수 있어서 반복해서 오래 사용할 수 있게 된 점도 획기적이다.

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

한편 이 연구는 LG화학과 이공분야기초연구사업의 ‘중견연구자지원사업’의 전폭적인 지원을 통해 수행되었다.