한국기술교육대학교 정용주 교수와 전자부품연구원 차세대전지센터 박민식 박사, 부산대 김석 교수가 공동으로 지난 40년간 미제였던 리튬-설퍼(Li-S) 전지의 작동원리를 규명해 화제다.

리튬-설퍼 전지는 설퍼(유황)을 양극소재로 리튬 금속을 음극소재로 사용하며, 가격이 저렴하고 이론 용량과 에너지밀도가 높아 그동안 리튬이온전지를 대체할 전지로 주목받아 왔다.

예컨대, 전기차에 고용량 리튬-설퍼 전지를 탑재하면, 현재 핸드폰에 사용되고 있는 리튬이온전지 대비 2~3배 이상의 항속거리를 확보할 수 있게 된다.

그간 학계에서는 리튬-설퍼 전지는 고체 설퍼 입자가 직접 전자를 받아 방전반응이 시작되고, 설퍼가 방전되면서 생성되는 고체 Li₂S(황화리튬) 입자가 직접 전자를 받아 충전반응이 진행된다는 것이 정설이었다.

이러한 인식 하에 수많은 과학자들이 설퍼나 Li₂S를 탄소 내에 주입하거나 복합화해 전기전도를 높이는 방향으로 연구 역량을 집중해 왔다.

그러나 이번 연구팀은 양극과 전기적으로 분리된 고체 설퍼와 Li₂S 입자도 반응에 참여할 수 있다는 것을 보임으로써, 전하전달이 고체·고체 계면이 아닌 고체·액체 계면에서 일어난다는 것을 밝히고, 이를 바탕으로 리튬-설퍼 전지 반응 메커니즘을 정립했을 뿐만 아니라 고용량 설퍼 전지 연구개발 방향과 전략을 새롭게 제시한 것이다.

책임연구자인 정용주 교수는 “전지의 작동원리는 연구개발 수립단계에서 나침반과 같은 역할을 해서 매우 중요하며, 고성능 전지개발을 위해선 메커니즘에 대한 정확한 이해가 무엇보다 선행되어야 한다”면서 “연구팀은 새로운 메커니즘을 적용해 기존 리튬-설퍼 전지의 부피 에너지밀도를 최소 50% 이상 향상시킬 수 있었다”고 밝혔다.

또 “이번 연구결과는 리튬-설퍼 전지 연구개발 분야의 중대 전환점이 될 것이며, 최적화 과정을 거친다면 고용량 리튬-설퍼 전지 기술의 전기를 마련, 부피 에너지밀도를 크게 향상시킬 수 있을 것”이라며, “고용량 리튬-설퍼 전지가 휴대용 전자제품뿐 아니라 전기차, 에너지 저장시스템 등에 실제 적용돼 활용된다면 실생활 및 산업체 전반에 큰 변화를 가져오게 될 것”이라고 강조했다.

이번 연구팀은 리튬-설퍼 전지 방전 및 충전 메커니즘에 대한 두 편의 논문을 세계적 전지분야 학술지인 미국전기화학회지(Journal of the Electrochemical Society) 인터넷판 10월호에 게재했다.