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‘30분’ 만에 리튬-황 전지용 양극재 합성...높은 효율 갖는 유연 배터리 눈앞으로

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POSTECH 박문정 교수팀, 황 입자를 이용한 고에너지의 유연한 리튬-황 전지 개발


[웹이코노미 윤혜인 기자] 요즘 접히는 휴대폰은 인기가 높다. 이와 같은 지능형 유연 장치나 전기 자동차의 인기가 높아짐에 따라 오랜 시간 높은 에너지를 저장하고, 빨리 충전되는 배터리에 대한 수요가 계속 증가하고 있다. 현재의 리튬 이온 배터리 기술로는 이러한 수요를 맞출 수 없어 차세대 배터리 개발이 요구된다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 정유 처리의 부산물로 여겨졌던 황을 이용해 30분 만에 리튬-황 전지 양극재를 합성하는 데 성공했다.

 

POSTECH 화학과 박문정 교수·통합과정 강한얼 씨 연구팀이 고에너지 밀도, 고속 충전, 그리고 기계적 유연성을 부여할 수 있는 혁신적인 리튬-황((Li-S) 전지를 개발했다. 이 연구는 추가적인 용매나 개시제, 계면활성제, 입체 안정화제를 사용하지 않고 30분 이내의 빠른 반응시간을 통해 계층적으로 정렬된 형태의 역가황*1 고분자 입자를 합성한 첫 번째 사례이다. 이번 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지인 ‘나노 에너지(Nano energy)’에 지난 8월 25일 온라인 속보로 게재됐다.

 

 

현재 사용되는 고독성 전이 금속계 양극 재료와는 달리, 황은 값이 싸고 풍부하며, 독성이 적다는 점 때문에 주목받고 있는 물질이다. 특히, 리튬-황 배터리는 높은 이론적 에너지 밀도(2,600Wh kg)로, 높은 용량(1672mAh g-1)을 저장할 수 있어 차세대 배터리로서 가능성을 보여준다. 하지만, 황은 근본적으로 낮은 전기전도도를 가지기 때문에, 활성 물질의 완전한 활용을 방해하여 충방전 속도를 늦추고, 전해질에 용해도가 높아 전지의 수명을 떨어뜨리는 단점이 있다.

 

연구팀은 기존의 황 전극과 달리 황의 함침 공정(melt-diffusion process)을 사용하지 않고, 황과 비닐포스폰산(Vinylphosphonic acid, VPA)의 역가황 반응을 이용한 공중합을 통해 30분 만에 황 기반 고분자 입자를 합성했다. 이때 황 입자는 미세 상분리된 α-황과 낮은 밀도의 황 동소체 기반의 황-VPA 네트워크(SVPA) 로 구성되어 있다.

 

짧은 반응시간에 균일한 미세 입자를 형성할 수 있었던 열쇠는 황 라디칼과 VPA의 자가 촉매 반응 때문이며, VPA가 부착된 긴 황 사슬이 반응 초기에 형성되어 계면활성제 없이도 SVPA의 구형 형태를 안정화를 이루는 것으로 나타났다. 흥미롭게도 SVPA 입자 표면에 사람의 피부와 같은 주름과 기공이 자발적으로 형성되어, 양극 내 전해질 침투를 쉽게 하고 동시에 전극 표면에 가해지는 기계적 응력을 완화시켜 줄 수 있음을 입증했다.

 

이를 통해 연구팀은 간단한 합성법을 바탕으로 활물질 자체에 다공성 구조를 도입해 전해질의 침투를 쉽게 하고, 낮은 부피팽창을 갖는 황 동소체를 이용해 전극의 기계적 무결성을 높일 수 있음을 확인했다. 또한 활물질*2 표면에 풍부하게 존재하는 포스폰산 관능기를 통해 효과적으로 리튬폴리설파이드의 용출을 막을 수 있어 우수한 리튬-황 전지 특성을 달성할 수 있었다. 뿐만 아니라, 활물질자체가 가교된 고분자라는 이점으로 우수한 탄성을 가짐으로써 유연 전극으로서의 활용 가능성을 확인했다.

 

연구를 주도한 박문정 교수는 “이 연구에서는 포스폰산 그룹이 풍부한 역가황 고분자를 저비용-친환경적인 방법으로 합성해 유연한 리튬-황 전지를 개발했다”며 “상용화에 가장 큰 걸림돌이 되는 리튬폴리설파이드 용출문제를 화학적으로 억제하였고, 유연한 특성을 부가하기 어려운 황 양극에 이러한 새로운 특성을 부여함으로써 웨어러블 디바이스 전지 등으로 그 활용 가능성을 높였다는 점에서 주목할 만하다”고 기대감을 밝혔다.

 

한편, 이 연구는 연구재단 중견연구자지원사업(이공분야), 미래소재디스커버리사업, 혼성계면 화학구조 연구센터-이공분야의 지원으로 수행됐다.



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