전기화학 반응을 통해 탄소나노섬유에 황이 맺히는 현상과 그로 인한 전지의 안정적인 수명 특성

국내 연구진이 모세관현상을 이용해 탄소섬유로 황을 잡는 방법을 개발했다.

KAIST는 김도경 신소재공학과 교수 연구팀이 종이가 물을 흡수하는 모세관 현상처럼 탄소나노섬유 사이에 황을 잡아두는 방식을 통해 리튬-황 기반 이차전지 전극 소재를 개발했다고 22일 밝혔다.

리튬-황 전지는 차세대 고용량 리튬이차전지로 각광받고 있으며 이론적으로 리튬이온전지보다 약 6배 이상 높은 에너지 밀도를 갖지만, 황의 낮은 전기전도도, 충전과 방전으로 인해 발생하는 부피 변화, 리튬 폴리설파이드 중간상이 전해질로 녹아 배출되는 현상이 걸림돌로 작용했다.

이에 연구팀은 기존 탄소 재료의 단점을 극복하기 위해 전기방사를 통해 대량으로 1차원 형태의 탄소나노섬유를 제작하고 고체 황 분말이 분산된 슬러리(slurry, 고체와 액체 혼합물 또는 미세 고체입자가 물 속에 현탁된 현탁액)에 적신 뒤 건조하는 간단한 방법을 통해 접촉 저항을 대폭 줄인 황-탄소 전극을 개발했다.

연구팀은 주사전자현미경(SEM)을 통해 현상을 관찰했다. 종이가 물을 흡수하듯 고체 황이 전기화학 반응 중 중간 산물인 액체 리튬 폴리설파이드로 변화하고 이들이 탄소나노섬유들 사이에 일정한 모양으로 맺힌 후 충전과 방전 과정에서 그 형태를 유지하며 밖으로 녹아나가지 않음을 확인했다.

이는 복잡하게 황을 감싸지 않고도 황이 탄소 섬유들 사이에 효과적으로 가둬지는 것을 발견한 것이다.

또한 기존 연구 결과가 단위 면적당 황 함량이 2mg/㎠ 이내인 것에 비해 이번 연구에서는 10mg/㎠이 넘는 황 함량을 달성했고 이를 기반으로 7mAh/㎠의 높은 면적당용량을 기록했다. 이는 기존 리튬이온전지의 면적당용량인 1~3mAh/㎠를 능가하는 값이다.

1저자인 윤종혁 박사과정은 “금속집전체 위에 전극물질을 도포하는 기존의 전극 제조 방법과는 전혀 다른 전극 구조 및 제조 방식을 적용한 연구로 향후 리튬이차전지의 연구 범위를 넓히는 데에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.

김도경 교수는 “고용량 리튬-황 상용화에 한 단계 다가선 연구성과로 전기자동차뿐만 아니라 무인항공기(UAV) 및 드론 등에도 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 EEWS 연구센터의 기후변화연구허브사업과 한국연구재단의 중견연구자 지원사업을 통해 수행됐다.

또한 윤종혁 박사과정이 1저자로 참여하고 김도경 교수, UNIST 이현욱 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 2018년도 18호에 게재됐다.