리튬황전지 안정성, ‘분무 동결’로 높인다

[산업일보]
전기차, 신재생에너지 저장 등은 기존 전지보다 용량이 큰 중‧대형전지가 필수적이다. 리튬황전지는 현재 널리 쓰이는 리튬이온전지보다 이론적으로 에너지 저장능력이 5배 가량 높다. 또한 황은 자원이 풍부하고 가격이 저렴해 더욱 관심을 받고 있다.

그러나 황은 전기전도성이 낮고 전해액으로 녹아들면서 전지의 심각한 성능저하 및 수명 손실을 가져오기 때문에, 리튬황전지의 상용화에 앞선 기술적 한계가 있다.

이에, 리튬황전지를 안정화하고 수명을 늘려주는 공정 기술이 박호석 교수(성균관대학교) 연구팀의 ‘분무 동결’ 방법 개발을 통해 황 나노막대기와 그래핀의 복합체를 합성하고 고용량, 장수명 리튬황전지를 개발됐다.

연구팀은 분무 동결법을 개발해, 황과 그래핀이 결합된 공 모양의 입자를 합성하고 내부 기공 구조를 정밀하게 제어했다. 그래핀이 전기전도성을 보완해주고, 황과 그래핀이 강하게 결합해 황이 전해액으로 녹아드는 현상을 효과적으로 억제했다.

분무 동결(Spray Frozen, SF) 합성법은 나노입자를 스프레이처럼 뿌리고 동결 건조시키는 방법이다. 이를 통해 다공성 그래핀에 막대모양 황 입자가 다량 결합돼 밤송이 같은 형태를 가진다. 이 방법으로 황을 고르게 분포시킬 수 있고, 입자 형태와 다공성 구조를 동시 제어할 수 있다.

개발된 SF 합성법은 거의 모든 나노소재를 ‘마이크로 볼’ 형태로 결합할 수 있다. 또한 입자 크기, 밀도, 개방형 다공성의 내부 구조까지 제어할 수 있다. 분무 방식이므로 대량 합성, 대면적화도 가능하고, 물을 용매를 사용하므로 친환경적이다.

박호석 교수는 “이 연구에서 고안한 분무 동결 합성법은 다양한 나노소재의 복합체 구성과 개방형 다공성 구조의 제어에 응용될 수 있다”라며, “이 합성법의 우수성을 보여주기 위해 개발한 리튬황전지용 양극 소재는 높은 에너지용량이 요구되는 차세대 전자기기, 전기차 등에 활용될 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.

박 교수에 따르면, 지금까지 나노소재를 2차 입자 형태로 만들면서 입자크기, 밀도, 방사배향형 구조 제어를 단번에 제어할 수 있는 기술은 보고된 바 없다. 박 교수의 연구팀에서 고안한 분무 동결 합성방법은 거의 모든 나노소재를 활용 가능한 범용적인 특징과 용매로 물을 사용한다는 점에서 매우 친환경적인 소재 공정기술이다.

이 공정을 통해 합성된 리튬황전지 양극소재는 탄소나노소재와 막대모양의 나노황입자가 강한 결합을 형성해, 고용량, 고안정성 리튬황전지 성능 향상을 입증했다.