막대모양 황이 담지된 그래핀볼 복합체 조립 과정(한국연구재단 제공)© 뉴스1

국내 연구진이 리튬황전지 안정성을 높이는 공정기술 개발에 성공했다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 성균관대학교 박호석 교수 연구팀이 ‘분무 동결’ 방법으로 황 나노막대기와 그래핀의 복합체를 합성해 고용량과 긴 수명의 리튬황전지를 개발했다고 31일 밝혔다.

전기차, 신재생에너지 저장 등은 기존 전지보다 용량이 큰 중·대형전지가 필수적이다. 리튬황전지는 현재 널리 쓰이는 리튬이온전지보다 이론적으로 에너지 저장능력이 5배 정도 높다.  

황은 자원이 풍부하고 가격이 저렴해 더욱 관심을 받고 있지만 전기전도성이 낮고 전해액으로 녹아들면서 전지의 심각한 성능 저하 및 수명 손실을 가져오기 때문에 리튬황전지의 상용화에 앞선 기술적 한계가 있다.

막대모양 황이 담지된 그래핀볼 복합체의 구조 및 장기수명 안정성(한국연구재단 제공)© 뉴스1

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. 이러한 방법으로 황을 고르게 분포시킬 수 있고, 입자 형태와 다공성 구조를 동시 제어할 수 있다.

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

박호석 교수© 뉴스1

박호석 교수는 “분무 동결 합성법은 다양한 나노소재의 복합체 구성과 개방형 다공성 구조의 제어에 응용될 수 있다”며, “합성법 우수성을 보여주기 위해 개발한 리튬황전지용 양극 소재는 높은 에너지 용량이 요구되는 차세대 전자기기, 전기차 등에 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 미래소재디스커버리사업과 한국철도기술연구원 주요사업의 지원으로 수행됐다.

연구 성과는 나노과학기술 분야 저명한 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 지난달 14일 표지논문으로 선정됐다.