다아라 매거진 _ 2017.10

기술뉴스

[Technical News]친환경 저비용 리튬-황 전지, 유리섬유로 개발한다

리튬-황 전지 상용화 및 전기자동차 적용 기대

[Technical News]친환경 저비용 리튬-황 전지, 유리섬유로 개발한다 - 다아라매거진 기술뉴스
플렉서블 유리 섬유 막 전극(FSME)의 전기화학 반응 모식도 및 전지 구동 그래프


한국연구재단(이사장 조무제)은 김도경 교수(한국과학기술원) 연구팀이 친환경·저비용 소재인 유리 섬유막을 리튬-황 전지에 최초로 적용해 고효율 전극 소재를 개발했다고 밝혔다.

리튬-황 전지는 휴대기기에 쓰이는 기존의 리튬이온 전지보다 용량과 에너지 밀도가 우수해 차세대 대용량 에너지 저장장치로서 각광받고 있다. 그러나 황의 낮은 전기전도도, 충전·방전할 때의 부피 변화, 리튬과 황의 반응물질로 인한 전지의 수명 감소 등으로 인해 리튬-황 전지를 상용화하기에는 아직 한계가 있었다.

기존 해결 방법으로는 고비용의 탄소 재료를 다량 첨가하거나 독성 및 발암성 용매를 사용하는 방법뿐이었다.

연구팀은 유리 섬유를 서로 얽히게 해 매우 유연하고 질긴 다공성 골격을 제조하고, 이를 리튬-황 전지에 최초로 적용하는 아이디어를 제안했다. 어디서나 볼 수 있는 유리섬유의 값싸고 무해한 특성이 리튬-황 전지에도 적용된 것이다.

이 연구에서 개발된 전극은 구부려도 기계적으로 손상되지 않는 유연성이 있고, 전지의 원활한 구동을 돕기 위한 바인더 및 금속 집전체 등의 부속물들이 첨가되지 않아 전지의 질량당 에너지 밀도가 뛰어나다. 또한 유리 섬유막 내부에 첨가된 탄소나노튜브와 이산화망간으로 인하여 전기전도도도 높아지고 전지의 성능이 감소되는 것도 방지됐다.

유리섬유가 포함된 리튬-황 전지의 에너지 밀도는 그램(g)당 1천210 mAh로, 리튬이온 전지의 6배 이상이다. 또한 100회의 충전과 방전 후에도 970mAh로 유지돼, 안정적인 수명 특성을 보여줬다.

김도경 교수는 “이 연구는 비용 및 유해성의 측면에서 우수하면서도 효율성이 높은 새로운 전극 제조 방식을 개발한 것으로, 리튬-황 전지의 상용화와 대량생산이 가능하게 했다”며, “향후 전기자동차 등에 리튬-황 전지를 적용해 에너지 저장 용량을 극대화할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

김 교수에 따르면, 기존의 리튬-황 전지의 전극에서 발생하는 문제점을 분석하고 해결한 결과, 4.53mg cm-2의 높은 황 함량으로도 1210mAh g-1의 우수한 초기 용량을 달성했으며, 100회의 충전 및 방전 후에도 970mAh g-1의 높은 용량을 유지하는 우수한 성능을 가진 리튬-황 전지 개발이 가능해졌다. 특히, 비용이 매우 저렴한 유리 섬유 재료를 사용했고, 기존의 전극 제조 방식과 다르게 독성이 강한 유기 용매를 사용하지 않았으며 물질 합성 및 전극 제조가 수월해 상용화를 앞당길 수 있는 기반을 마련했다고 기대한다.

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