탄소로 황 막대 코팅해 리튬 황 전지 수명 획기적으로 개선
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탄소로 황 막대 코팅해 리튬 황 전지 수명 획기적으로 개선
  • 전철호 기자
  • 승인 2014.03.27 01:10
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[신소재공학과 김도경, EEWS 대학원 최장욱 교수 공동 연구팀]황 용해 방지해 전지 수명 획기적으로 증가시켜… 알루미늄 어노다이징 기법으로 얇은 황 막대 제조해 전지 성능 향상

 우리 학교 신소재공학과 김도경 교수, EEWS 최장욱 교수 공동 연구팀이 기존 리튬 황 전지의 수명과 성능을 크게 개선했다. 이번 연구는 지난해 12월 3일 자 <어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)>에 게재되었다.

차세대 전지로 주목받는 리튬 황 전지

현재 스마트폰, 전자기기 등 생활 전반에서 사용되고 있는 전지는 리튬 이온 전지다. 하지만 리튬 이온 전지의 이론적 최대 에너지 밀도는 500Wh/kg 정도에 불과해 산업계 전반에서 더욱 높은 에너지 밀도를 가진 전지에 대한 수요가 꾸준히 증가했다. 이에 따라 다양한 물질들이 차세대 전지의 후보로 거론되었는데, 그중 리튬 황 전지는 저렴한 황을 이용하고 발전 효율이 높아 많은 기대를 받고 있다. 양극(anode)에 아무것도 없는 리튬 이온 전지와 달리 리튬 황 전지는 양극에 황을 배치했다. 리튬 황 전지는 이론적으로 최대 2,700Wh/kg까지 발전할 수 있어 높은 출력의 전지를 요구하는 전기 자동차, 무인기 분야에서 적극적으로 활용될 수 있다.

 

전해질에 녹고 전도성 낮아 전지에 이용 어려웠던 황

리튬 황 전지에 사용되는 황은 전지 사용 기간이 짧다는 단점이 있어 상용화에 어려움이 있었다. 리튬 황 전지에서는 음극의 리튬과 양극의 황이 결합해 Li2S를 형성하며 전기가 만들어진다. 그런데 순수한 황인 S8이 Li2S가 될 때 Li2S4, Li2S6 등 전해질에 용해되는 다황화물이 생성된다. 전지가 충·방전을 반복하면서 양극의 황이 전해질에 녹아 없어지면 전지 성능이 급격하게 떨어진다. 그뿐만 아니라 양극의 황은 전기전도성이 낮아 전기가 효율적으로 전달되지 않는 문제도 있다.

 

탄소로 황을 감싸 전도성 높이고 용해 막아

기존에는 이러한 용해 문제와 전기 전도성 문제를 해결하기 위해 구멍이 많은 스펀지 형태의 탄소에 황을 넣는 방법을 사용했다. 다황화물이 전해질과 접촉하는 것을 방지해 황이 녹는 것을 막고, 전기전도성이 높은 탄소로 황을 감싸 전자가 쉽게 이동할 수 있게 한 것이다. 하지만 이 방법은 에너지 밀도를 하락시키는 문제가 있었다. 전기 생성에 관여하지 않는 탄소가 전지에 추가되면서 단위 무게당 생성되는 에너지가 저하된다.

 
▲ 탄소 막으로 코팅한 황 막대 제조 과정=(a) 알루미늄 거푸집을 만든다 (b) 거푸집 내부를 탄소 코팅한다 (c) 거푸집을 녹여 탄소로 코팅된 황 막대를 얻는다/ 김도경 교수 제공
 

알루미늄 거푸집으로 황 표면 얇게 코팅해 효율 크게 개선해

연구팀은 이런 문제를 황을 두께 75nm의 가는 막대 형태로 만들고 표면을 최소한의 탄소로 코팅해 해결했다. 황의 표면이 탄소로 코팅되면 다황화물이 전해질과 접촉하기 힘들어 황이 쉽게 용해되어 없어지지 않는다. 또, 황 막대 표면을 아주 얇은 탄소층으로 코팅했기 때문에 기존 방법보다 무게를 많이 증가시키지 않아 전지의 에너지 밀도가 증가했다.

황을 얇은 막대 형태로 만드는 데는 알루미늄 어노다이징 기법이 사용되었다. 알루미늄에 양극을 걸어 산화시키면 알루미늄 표면이 산화되어 구멍이 뚫리게 된다. 이때 전기의 세기를 조절해 산화하는 정도를 정밀하게 조작하면 구멍의 크기와 깊이를 조정할 수 있는데, 이 구멍을 깊고 얇게 뚫어 알루미늄을 황의 거푸집으로 사용한 것이다. 이렇게 만들어진 알루미늄 틀 안쪽에 탄소 막을 증착한 뒤, 기압을 이용해 액체 상태의 황을 넣어준다. 이후 알루미늄 거푸집을 고온 처리해 녹여 없애면 표면에 탄소가 코팅된 황 막대를 얻을 수 있다.

 

이번 연구의 의의는 리튬 황 전지의 고질적인 문제였던 짧은 수명을 획기적으로 해결한 데 있다. 이렇게 만들어진 리튬 황 전지는 1,000회 충·방전에도 기존의 80% 수준의 전지 용량을 유지했다. 상용화되는 리튬 이온 전지는 500회 충·방전 이후 85% 이상의 용량을 유지한다. 김도경 교수는 “우리 학교 EEWS와 함께 전지를 무인기, 자동차 등에 탑재하는 연구를 진행할 것”이라며 전망을 밝혔다.


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