리튬황전지 안정성 높이는 황 입자화 공정개발

‘분무 동결’로 황 나노막대기를 개방형 다공성 공 입자로 구성

막대모양 황이 담지된 그래핀볼 복합체 조립 과정

(a) 분무 동결 합성방법을 통해 만들어진 막대모양 황이 담지된 방사배향된 개방형 다공성 마이크로 그래핀볼 합성방법 모식도이다.

(b) 급속 냉동과정에서 물방울 바깥에서 안쪽으로 방사형태로 얼음주형이 형성되고, 이후 동결건조 과정을 거쳐 얼음을 승화시킴으로써 방사형태의 그래핀볼 구조가 형성된다.

막대모양 황이 담지된 그래핀볼 복합체의 구조 및 장기수명 안정성

분무 동결 합성방법을 통해 만들어진 막대모양 황이 담지된 방사배향된 개방형 다공성 마이크로 그래핀볼의 그래핀 표면과 강한 공유결합을 통해 형성된 막대모양의 나노황 이미지이다. 이를 통해 활물질의 손실을 효과적으로 억제시킴으로써 고안정성 장수명 특성을 보여준다.

리튬황전지를 안정화하고 수명을 늘려주는 공정기술이 개발됐다.

성균관대 박호석 교수 연구팀이 ‘분무 동결’ 방법으로 황 나노막대기와 그래핀의 복합체를 합성하고 고용량, 장수명 리튬황전지를 개발했다고 한국연구재단이 1일 밝혔다.

전기차, 신재생에너지 저장 등은 기존 전지보다 용량이 큰 중·대형전지가 필수적이다. 리튬황전지는 현재 널리 쓰이는 리튬이온전지보다 이론적으로 에너지 저장능력이 5배 가량 높다. 또 황은 자원이 풍부하고 가격이 저렴해 더욱 관심을 받고 있다.

그러나 황은 전기전도성이 낮고 전해액으로 녹아들면서 전지의 심각한 성능저하 및 수명 손실을 가져오기 때문에, 리튬황전지의 상용화에 앞선 기술적 한계가 있다.

연구팀은 분무 동결법을 개발해, 황과 그래핀이 결합된 공 모양의 입자를 합성하고 내부 기공 구조를 정밀하게 제어했다. 그래핀이 전기전도성을 보완해주고, 황과 그래핀이 강하게 결합하여 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 결합되어 밤송이 같은 형태를 가진다. 이 방법으로 황을 고르게 분포시킬 수 있고, 입자 형태와 다공성 구조를 동시 제어할 수 있다.

개발된 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 교수는 “이 연구에서 고안한 분무 동결 합성법은 다양한 나노소재의 복합체 구성과 개방형 다공성 구조의 제어에 응용될 수 있다”라며, “이 합성법의 우수성을 보여주기 위해 개발한 리튬황전지용 양극 소재는 높은 에너지용량이 요구되는 차세대 전자기기, 전기차 등에 활용될 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업과 한국철도기술연구원 주요사업의 지원으로 수행되었다. 나노과학기술 분야 저명한 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 3월 14일 공개되었고, 표지논문으로 선정되었다.

seokjang@fnnews.com 조석장 기자