[한스경제=고혜진 기자] 카이스트(KAIST) 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀은 기존 대비 전해액 함량을 4배 이상 줄인 리튬·황 전지를 개발했다고 25일 밝혔다.

리튬·황 전지는 차세대 배터리 기술 중 연구 개발이 활발하게 이뤄지는 기술이다. 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용되는 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 2~3배 높아 전기동력 기체 무게를 크게 줄일 수 있어 인기가 높다.

리튬·황 전지는 가벼운 황과 리튬금속을 활물질(화학적으로 반응해 전기에너지를 생산하는 물질)로 이용한다. 이에 따라 중금속 기반인 리튬이온전지 대비 경량화가 가능하다. 지구에 풍부하게 존재하는 황을 활용해 저가의 전지를 구현할 수 있다고 카이스트 측은 설명했다.

그러나 리튬이온전지와 달리 높은 전해액 함량을 갖고 있다. 전지 무게의 40%에 달하는 과량의 전해질 사용은 전지 무게 증가로 그동안 리튬·황 전지의 고에너지밀도 구현에 걸림돌이 돼 왔다.

리튬·황 전지는 황이 방전된 뒤 부산물인 ‘리튬 폴리 설파이드’가 전해액에 용해된 상태에서 빠른 충·방전 특성을 갖는다. 전해액 양을 낮추면 리튬 폴리 설파이드의 용해량이 감소해 용량 및 출력이 저하된다. 또 리튬금속 음극이 전해액을 분해해 전해액이 고갈되는 문제는 낮은 전해 액체량에서 심해져 전지 수명을 떨어뜨린다. 

김 교수팀은 연구를 통해 리튬 나이트레이트 염과 같은 높은 전자공여(다른 화합물에 전자를 주는 성질) 능력이 있는 염을 전해질에 주입했다. 이에 폴리 설파이드의 용해도를 증가시킴과 동시에 리튬금속에서 전해질 분해를 억제할 수 있음을 규명했다.

리튬이온과 결합력이 강한 나이트레이트 음이온이 리튬이온의 ‘용매화 껍질(Solvation Shell)’ 역할을 수행함으로써 리튬 폴리 설파이드의 해리도를 증가시켰다.

그 결과 용해도가 향상됐고 용매화 껍질 구조변화가 전해액 용매 분자와 리튬금속과의 접촉을 낮춰 분해반응을 억제하는 현상도 확인했다.

아울러 연구 팀은 전해액 성분 중 리튬 염 물질 하나만 교체하는 방법으로 에너지 밀도를 높였다. 고가의 전해액 사용량을 4배 이상 줄여 가격을 대폭 절감하는 성과를 거둔 셈이다.

김희탁 KAIST 교수는 “황 양극과 리튬금속 음극의 성능을 동시에 높일 수 있는 전해액 설계원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “차세대 전지 전해액 설계산업 전반에 걸쳐 넓게 응용되기를 기대한다”고 말했다. 

고혜진 기자 khj@sporbiz.co.kr