KAIST, 도넛 모양 황화리튬 이용한 고성능 리튬황이온전지 개발

KAIST(총장 신성철)가 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 높으면서 600회 이상 재충전할 수 있는 리튬황이온전지 개발에 성공했다. 기존 리튬이온전지는 300~500회 재충전할 수 있는 것이 보통이다.

KAIST는 김희탁 생명화학공학과 교수팀이 도넛 모양 황화리튬을 이용해 성능을 극대화한 저비용·고성능 리튬황이온전지를 개발했다고 24일 밝혔다.

도넛 모양 황화리튬의 활물질 구조 및 제조 원리
도넛 모양 황화리튬의 활물질 구조 및 제조 원리

리튬황이온전지는 전기자동차 분야 미래 이차전지 분야다. 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 높아 주행 거리를 대폭 높일 수 있다.

이차전지는 재충전 횟수를 늘리는 것이 핵심 기술이다. 그래야 수명이 길어진다. 리튬전지는 음극 소재로 사용하는 리튬금속전극 가역성(처음 사태로 돌아가는 성질)이 떨어져 상용화 수준의 사이클 수명을 확보하기 어렵다. 이에 따라 사이클 수명이 우수한 흑연 음극과 고용량 황화리튬 양극으로 에너지 밀도를 높이고 수명을 늘리기 위한 연구가 활발하다. 아직은 전극 및 전해액 설계 기술이 부족하다.

연구팀은 황산리튬을 원재료로 고성능 구현이 가능한 도넛 모양 황화리튬 양극 활물질을 제조, 충전 사이클을 늘렸다. 도넛 모양 황화리튬은 전해액 침투가 쉬운 구조다. 리튬이온 전달력을 향상시켜서 높은 충·방전 가역성을 보인다.

전지 전해액에도 변화를 줬다. 비가역 반응을 억제하는 고농도 염 전해액을 도입해 흑연 음극에 피막을 형성하고 충·방전을 원활하게 했다. 내부가 비어 있는 도넛 모양 황화리튬은 리튬이온 전달력을 향상시켜서 높은 충·방전 가역성을 보였다. 또 고농도 염 전해액은 흑연 전극 표면에 안정된 막을 형성, 우수한 내구성을 보였다.

연구팀은 이 같은 기술로 에너지 밀도를 기존 리튬이온전지보다 30% 높이면서 600사이클이 넘는 전지 수명 확보에 성공했다.

연구에 참여한 팽민 예 연구교수(사진 왼쪽)과 김희탁 교수(오른쪽)
연구에 참여한 팽민 예 연구교수(사진 왼쪽)과 김희탁 교수(오른쪽)

저렴한 황산리튬을 황화리튬 원재료로 사용하고, 단일 열처리 공정으로 전극을 만듦으로써 제작 비용을 대폭 낮췄다. 고가의 황화리튬을 저렴하게 제작, 상용화를 높인 것이다.

김희탁 교수는 “가격이 낮은 황화합물로 가격을 낮추면서 에너지 밀도와 수명을 향상시키는 연구에 성공했다”면서 “이전에 발생한 문제를 해결, 산업 활용성을 높였다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com