전기차 주행거리 향상과 드론·도심항공교통(UAM)에 쓰일 것 기대
포스텍 연구팀이 리튬-황 전지의 수명을 단축하는 핵심 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 음극 보호막을 개발했다.
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| ▲ 포스텍 배터리공학과·신소재공학과 이상민 교수(왼쪽부터), 포스텍 신소재공학과 한대훈 석사, 포스텍 배터리공학과 석사과정 장혜림 씨, 한국전기연구원 박준우 책임연구원. [포스텍 제공] |
포스텍은 배터리공학과·신소재공학과 이상민 교수, 신소재공학과 한대훈 석사, 배터리공학과 석사과정 장혜림 씨 연구팀이 한국전기연구원 박준우 책임연구원과 함께 리튬-황 전지의 수명을 깎아 먹는 두 가지 문제를 한꺼번에 줄이는 음극 보호막을 개발했다고 5일 밝혔다.
이번 연구는 에너지 소재 분야 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 게재됐다.
'리튬-황 전지'는 양극에 황을, 음극에 리튬 금속을 쓰는데 황은 값싸고 가벼워 지금의 리튬이온전지보다 더 많은 에너지를 담을 수 있다. 문제는 충전과 방전을 하는 동안 생기는 황 화합물 '폴리설파이드(LiPSs)'다.
이 물질은 전해액에 녹아 양극과 음극 사이를 오가는데 제자리를 지켜야 할 황이 배터리 안을 떠도는 셈이다. 그사이 배터리 재료와 전해액은 조금씩 닳는다.
리튬 음극 표면은 스펀지처럼 구멍이 숭숭 뚫리고 배터리 수명은 급격히 줄어든다. 에너지를 더 담으려고 전해액을 줄이면 버틸 여유마저 사라져 피해는 더 커진다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 스스로 전기장을 만드는 물질인 '강유전체'에 주목했다. 먼저 강유전체 고분자인 β-PVDF로 리튬 음극 위에 보호막을 씌웠다. 이어 높은 전압을 거는 '코로나 폴링' 공정으로 막 속의 작은 전기 극(쌍극자)들을 한 방향으로 가지런히 세웠다.
여기에 불소를 입힌 질화붕소를 더해 이 정렬이 쉽게 흐트러지지 않도록 했다. 이렇게 생긴 전기장은 리튬 이온에게는 등을 밀어주는 순풍이 되고, 폴리설파이드에게는 앞을 막아서는 맞바람이 된다. 게다가 β-PVDF는 폴리설파이드와 잘 달라붙지 않아서 오래 써도 보호막 성능이 떨어지지 않는다.
그 결과, 완전셀은 500번 넘게 충전과 방전을 반복한 뒤에도 처음 용량의 80.4%를 유지했다. 실제 제품과 비슷한 형태인 파우치셀에서도 시험했다.
황 1mg당 전해액을 2.5μL만 넣은 극한 조건에서도 문제없이 작동했고 무게 1kg당 465Wh의 에너지를 담아냈다. 이 보호막이 실험실을 넘어 실제 제품에 가까운 조건에서도 통한다는 의미다.
리튬-황 전지가 상용화되면 전기차 주행거리를 늘릴 수 있을 뿐 아니라 무게가 곧 비행시간인 드론과 도심항공교통(UAM)에도 쓰일 수 있다.
이상민 교수는 "보호막이 폴리설파이드와 불필요하게 반응하지 않으면서 스스로 만든 내부 전기장으로 이온이 움직이는 방향을 골라 조절하도록 설계했다"고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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