현재 전기자동차 등 대부분의 에너지 저장 장치는 리튬 2차 전지로 에너지의 저장 효율과 밀도가 낮고 안전성이 떨어져 산업체와 학계에서는 미래 에너지 저장 장치에 대한 연구 개발이 전 세계적으로 매우 활발히 진행되고 있다. 이러한 현재의 리튬 전지의 한계를 극복하기 위한 대표적인 유망 전지 중 하나가 ‘리튬-황 전지’인데 아직 초기 단계라 내구성 및 성능의 한계가 있다.

이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운 방향의 연구 성과를 전북대학교 이중희·김남훈 교수팀(나노융합공학과)이 제시해 세계 학계의 주목을 받고 있다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지역혁신선도연구사업(RLRC)의 지원으로 수행됐으며, 나노융합공학과의 저영영(박사과정), 응웬탄투안(박사후 연구원)등 의 협업연구로 이뤄졌다. 에너지 분야 세계 최고 학술지인 『어드벤스드 에너지 머터리얼 (Advanced Energy Materials』(IF=29.368)의 최신호에 게재됐다.

리튬-황 전지는 자연계에 풍부하게 존재하는 유황을 양극 소재로 사용해 우선 가격이 저렴하다는 것이 장점이다. 기존 리튬-이온전지(~420 Wh kg−1)와 비교해 이론적으로 에너지 밀도(2600 Wh kg−1)가 5배 향상된 성능 구현이 가능하다. 이를 활용하면 전기동력 기체의 무게를 크게 줄일 수 있기 때문에 차세대 글로벌 이차전지 시장을 선점하기 위해서 반드시 조기 상용화할 필요가 있는 기술이다.

그러나 리튬-황 전지는 황의 낮은 전기전도성, 충·방전 시 황의 급격한 부피 팽창, 전기화학 반응 중 생성되는 리튬 폴리설파이드가 전해액에 쉽게 녹아 전지의 용량 및 내구성 감소, 리튬 덴드라이트로 인해 전지폭발(또는 발화) 현상이 발생하는 단점이 있어 시장 확대에 어려움을 겪고 있다.

이러한 문제점 해결을 위해 전북대 연구진은 금속 유기 골격체(MOF)를 이용해 질소가 도핑된 나노 탄소층과 질소 도핑 탄소나노튜브로 캡슐화 된 ‘셀렌화코발트/산화코발트 이종 나노구조체(CoSe2/Co3O4@NC-CNT) 전극’을 개발해 리튬-황 전지의 성능을 좌우하는 황 로딩량(≈10.1 mg cm−2)을 크게 향상시키고, 전해질의 사용량을 감소 시켜 에너지 밀도를 크게 높여 전지 수명을 크게 높인 리튬-황 전지 양극을 개발했다.(≈1457 mAh g−1 @0.1 C,  ≈688 mAh g−1 @5 C).

이번 연구에 사용된 산화코발트는 강력한 황흡착 특성을 나타내고, 셀렌화코발트는 폴리설파이드 전환 반응에 대한 촉매 특성을 향상 시킬 수 있기 때문에 두 물질의 하이브리드화를 통해 우수한 전기 전도도, 리튬폴리설파이드와의 강한 결합력 및 높은 촉매 활성 반응을 이끌어 리튬-황 전지의 셔틀링 효과를 억제한 고성능, 고내구성 리튬-황 전지를 개발할 수 있었다는 것이 연구팀의 설명이다.

이중희 교수는 “이번 연구는 작동 시간을 향상시키고, 에너지 저장 시스템의 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 가격 또한 저렴한 리튬-황 전지의 상용화를 한층 앞당길 수 있는 기술을 제시한 것“이라며 ”연구를 통해 개발된 고성능 양극 소재의 대량 생산기술은 리튬-황 전지 뿐 만 아니라 다양한 에너지 저장 및 변환 장치 전극소재 등에 적용 될 수 있을 것으로 기대된다“고 밝혔다.