국립군산대 이민재교수

기존 리튬-황 배터리의 한계를 뛰어넘는 새로운 고분자 소재가 국내 연구진에 의해 개발돼 주목을 받고 있다.

성균관대 박호석교수

국립군산대학교는 29일 성균관대학교(박호석 교수)와 공동 연구를 통해 이온성 고분자와 황(Sulfur)을 공유결합으로 연결한 ‘네트워크 이온성-황 고분자(IP-S)를 개발해 리튬-황 배터리의 성능을 획기적으로 향상시켰다고 밝혔다.

리튬-황 배터리는 이론적으로 기존 리튬이온배터리보다 약 5배 높은 에너지 밀도를 가질 수 있어 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다.

하지만 충·방전 과정에서 황이 리튬과 반응해 생성되는 중간체인 ‘리튬 폴리설파이드(LiSn)’가 전해질 내로 확산되어 배터리 성능을 저하시키는 ‘셔틀 효과’가 실용화를 가로막아왔다.

국립군산대(이민재 교수)와 성균관대 공동 연구팀이 개발한 IP-S 소재는 이 문제를 근본적으로 해결하는 데 초점을 맞혔다. 황을 단순히 물리적으로 가두는 대신, 이온성 네트워크 고분자와 공유결합을 통해 황을 고분자 내부에 직접 고정시켰다. 또한, 이온성 고분자의 높은 이온전도성과 리튬 이온 친화성 덕분에, 리튬 이온이 황과 더욱 빠르고 균일하게 반응할 수 있도록 하였다.

실험 결과, IP-S를 적용한 리튬-황 전지는 0.1 C 조건에서 황 1그램당 1389.9 mAh g-1의 매우 높은 초기 방전 용량을 기록했으며, 400회 충·방전 후에도 71.3%의 용량을 유지하는 뛰어난 수명 특성을 보였다. 특히 실제 상용화를 고려한 높은 황 적재량(6.87 mg cm-2) 조건에서도 7.23 mAh cm-2의 우수한 면적당 용량을 달성하는 데 성공했다.

특히 이번 연구는 기존 리튬-황 전지의 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 고분자 기반 전극 설계 전략을 제시했다는 점에서 주목된다.

또한 전지 내의 황에 대한 활용도를 극대화하는 동시에 긴 수명과 높은 출력을 동시에 달성한 사례로, 향후 차세대 고에너지 밀도 배터리 개발에 새로운 가능성을 열 것으로 기대를 모으고 있다.

본 연구는 에너지 소재 분야의 권위 있는 국제학술지인 ACS Energy Letters 025년 최신호에 게재됐다.