연구성과

화학 박문정 교수팀, 황을 잡아두는 연결고리로 6분 만에 완전 충전 가능한 배터리 구현

2018-10-29 240

[리튬-황전지 양극재 활용가능한 가황고분자 합성]

박문정교수팀

전기자동차, 무인항공기를 오랜 시간 동안 움직이게 하고, 태양과 풍력과 같은 친환경 에너지를 저장해 상용화하기 위해서 꼭 필요한 것이 있다. 바로 뛰어난 효율을 가진 대용량 2차 전지 개발이다. 전 세계 많은 과학자가 2차 전지의 효율을 높이는 방안을 찾기 위해 오늘도 연구 중이다.

화학과 박문정 교수·통합과정 강한얼 씨는 가황고분자를 양극재로 활용해 리튬-황 이차전지에서 황의 용출을 막고, 효율은 높이면서 단 6분 만에 완전 충전이 가능한 전지를 구현해내 과학계의 주목을 모으고 있다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 뒷면 표지로 소개됐다.

전지를 만들 때 ‘황’을 이용하면 같은 부피나 무게의 리튬 이온 전지에 비해 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 가질 수 있어서 용량이 크게 높아진다. 하지만 황의 낮은 전기전도도에 의해 고속 충전이 불가능하고, 황이 전해액에 용출되어 반복된 충전·방전 하에서 효율이 급격히 떨어지는 고질적인 문제로 인해 상용화는 어려웠다.

연구팀은 이원자를 포함한 링커 분자를 도입해 크게 향상된 전기적·전기화학적 특성을 보이는 가황고분자를 개발했다. 가황고분자는 황화합물(polysulfide)과의 강한 화학적 상호작용을 통해 황이 전해액에 용출되는 것을 효과적으로 차단했다. 또 가황고분자를 양극 물질로 활용했을 때 기존 황 전극과 비교해 450배나 향상된 전기전도 특성을 보였고, 그 결과 10C(6분 만에 충전 혹은 방전시킬 수 있는 전류)에서 833mAh/g라는 높은 용량을 보였다. 이 수치는 기존에 개발된 어떤 리튬-황 전지에서도 보고된 바 없는 획기적인 결과다.

연구를 주도한 박문정 교수는 “개발된 가황고분자를 이용하면 기존 황전극의 단점인 낮은 전기전도도와 용출 문제를 모두 해결할 수 있다”라며 “실험실 내 효율이 그대로 구현된다면 6분 만에 전기자동차나 핸드폰을 충전할 수 있는 데다 합성하는 비용도 저렴하다”며 상용화에 대한 기대감을 밝혔다.

한편 이 연구는 특허 출원 됐으며, 중견연구, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.