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최근 전기자동차나 모바일 기기, 대용량 전기저장장치(ESS) 등에 ‘리튬-이온(Li-Ion)’ 배터리가 널리 활용되고 있다. 그러나 주요 자원인 리튬은 대부분 수입에 의존하고 있고, 가격 상승으로 인해 배터리 완성품 제조 업체의 부담이 날로 늘어나고 있다. 때문에 리튬-이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 배터리로 리튬보다 가격이 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 ‘황’을 이용한 연구가 매우 활발하다.
그러나 리튬-황 배터리는 다황화물(Polysulfide)에 의한 셔틀효과(shuttle effect)로 인한 용량 저하와 다황화물이 성장하면서 생기는 덴드라이트(Dendrite)에 의해 분리막을 손상시켜 내부 쇼트를 발생시키는데, 이는 아직까지 해결해야할 숙제로 남아 있다. 이같은 문제점을 해결하는 새로운 개념의 분리막을 전북대학교 도안티루루엔 박사(이하 루엔·바이오나노융합공학과)가 세계 학계가 주목하고 있다.
이 연구 내용을 담은 논문은 ‘Rationally designed NiS2-MnS/MoS2 hybridized 3D hollow N-Gr microsphere framework-modified celgard separator for highly efficient Li-S batteries’라는 제목으로 『어플라이드 카탈리시스 비: 인바이러멘탈(Applied Catalysis B: Environmental(IF 24.319)』 온라인판 최신호에 게재됐다.
루엔 박사는 리튬-황 배터리가 갖는 분리막 문제를 해결하기 위해 상용화 된 분리막 소재 표면에 폴리스티렌 마이크로 구체와 그래핀, 촉매를 각각 코팅하여 3차원 형상의 새로운 분리막(3D hollow N-doped graphene microsphere framework)을 개발했다.
연구팀은 실험을 통해 개발한 분리막이 효과적으로 다황화물의 확산을 제한하고, 고차 다황화물을 저차로 환원시켜 셔틀효과를 억제하는 성능이 있음을 확인했다. 이를 통해 리튬-황 전지의 용량과 수명, 안정성을 향상시키는 결과를 도출했다고 밝혔다.
루엔 박사는 “앞으로 코인셀 뿐만 아니라 파우치 형태로도 가능성을 확인 할 계획”이라며 “좀 더 안정된 고용량의 리튬-황 배터리의 분리막을 개발하는데 더욱 정진하겠다”고 밝혔다.
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