화공생명공학과 문준혁 교수 연구팀,

차세대 리튬전지 양극 기술 개발

▲화공생명공학과 권동휘 박사과정 

본교 화공생명공학과 문준혁 교수 연구팀이 고에너지 리튬전지를 위한 양극 소재 기술을 발표했다.

한국연구재단 이공분야기초연구사업(중견연구자지원사업)의 지원을 통해 수행된 본 연구는 화공생명공학과 권동휘 박사과정생이 주도하였으며, ‘미국 국립과학원회보(PNAS)’ 5월 23일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Complete encapsulation of sulfur through interfacial energy control of sulfur solutions for high-performance Li−S batteries) PNAS는 과학의 전분야에서 탁월한 연구업적을 발표하는 권위 있는 국제학술지다.

리튬-황 전지는 경량화에 용이한 차세대 리튬전지로 각광 받고 있다. 리튬-황 전지의 양극은 황의 낮은 전기전도성을 보완하기 위해 높은 전도도의 탄소와 혼합한 형태로 제작한다. 특히 탄소의 미세기공에 황을 균일하고 안정하게 담지하는 기술은 전지의 성능에 결정적이며, 이와 관련하여 많은 연구가 이루어지고 있다.

연구팀은 황이 탄소표면에 낮은 부착력(adhesive force)을 나타내기 때문에 황을 미세기공에 넣기 어렵다는 사실을 확인했고, 이에 착안하여 황의 부착력을 제어하는 기술을 제시했다. 구체적으로 황을 녹인 용액에 탄소와 높은 부착력을 갖는 용액을 첨가하였으며, 이를 통해 황과 탄소의 부착력을 크게 높일 수 있었다. 연구진은 이 ‘부착력 제어’ 기술에 의해, 미세기공 껍질을 갖고 내부가 비어있는 탄소나노입자의 내부에 매우 높은 함량의 황을 안정하게 담지할 수 있었다.

▲ 좌측 사진: 미세기공 껍질/비어 있는 내부의 탄소나노입자의 내부에 황이 담지되어 있지 않은 모습(전자현미경).

우측 사진: 본 연구진의 ‘부착력’ 제어에 의해 탄소나노입자에 황이 다량으로 담지되어 있음을 보여줌

연구팀은 황이 안정하게 담지된 탄소복합소재를 리튬-황 전지의 양극으로 적용했으며, 이는 기존 리튬이온전지에 비해 약 2배 높은 용량을 달성했다. 이 기술은 다양한 첨단 나노복합소재의 제작에도 적용될 수 있을 것으로 보인다.

▶ 논문 원문 링크: https://www.pnas.org/content/early/2020/05/21/2000128117