리튬-황 전지 상용화 성큼…DGIST, 성능 저하 해결할 전극 소재 개발

대구경북과학기술원(DGIST)이 리튬-황(Li-S) 전지의 상용화 난제를 해결할 실마리를 제시했다. DGIST 에너지공학과 유종성 교수팀은 리튬-황 전지의 성능을 크게 끌어올릴 수 있는 새로운 전극 소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지보다 에너지 저장 용량이 높고 무게는 더 가벼워 차세대 고용량 배터리로 주목받고 있다. 하지만 황은 전기가 거의 통하지 않고, 충·방전 중 생성되는 리튬 폴리설파이드가 전해질로 새어나가 전지 효율을 떨어뜨리는 문제가 있어 상용화가 지연돼 왔다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 티타늄일산화물(TiO) 나노입자와 질소(N)가 포함된 고흑연화 다공성 탄소 구조(TiO-NGPC)를 단일 공정(마그네슘 환원법)으로 간단히 제조하는 데 성공했다. 이 소재는 벌집 모양의 미세한 기공을 지닌 탄소 구조가 높은 전기전도성을 확보해 황을 안정적으로 저장하고 전하 전달을 원활하게 한다. 동시에 극성 물질인 TiO와 질소 도핑이 결합해 리튬 폴리설파이드를 강하게 붙잡아두는 흡착 성능을 제공하며, 촉매 작용까지 수행해 반응 속도를 높이고 황 손실을 억제한다. 이로써 전지의 용량 유지와 수명 향상이 동시에 가능해 사용 환경에서의 성능 저하 문제를 크게 줄일 것으로 기대된다.

연구팀은 이번 결과가 리튬-황 전지의 구조 설계 방향을 재정립하는 계기가 될 것으로 보고 있다. 단일 공정으로 다기능 탄소 기반 호스트 소재를 제조할 수 있어 실제 산업 적용에서도 공정 단순화와 비용 절감 효과가 기대된다. 유종성 교수는 이번 연구가 리튬-황 전지의 가장 큰 장애였던 성능 저하 문제를 해결할 새로운 전략을 제시했다며 향후 상용화 연구에서 중요한 전환점이 될 것이라고 말했다. 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 과학난제도전융합연구개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 관련 성과는 나노소재 분야 국제 학술지 ACS Nano에 이달 게재됐다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr