한양대 임희대 교수 연구팀, 리튬-황 전지 수명 개선 기술 개발

임희대 한양대 교수(왼쪽), 김선주 박사과정생.

한양대학교 화학공학과 임희대 교수 연구팀이 리튬-황 전지의 성능 저하 원인으로 꼽히는 ‘셔틀 현상’을 억제할 수 있는 분리막 기술을 개발했다. 이번 연구는 중앙대 융합공학부 박해선 교수, 한국전기연구원 박준우 박사와 공동으로 수행됐다. 연구팀은 폴리설파이드 이동을 단순히 흡착하는 기존 방식에서 벗어나 전기적 반발력을 이용해 이동 자체를 줄이는 분리막을 설계했다.

전기자동차(EV)·에너지저장장치(ESS)·항공우주 산업이 성장하면서 고에너지밀도 차세대 배터리에 대한 수요가 커지고 있다. 특히 리튬-황 전지는 황의 높은 이론 용량, 낮은 가격, 풍부한 자원량 때문에 차세대 전지 후보로 꼽힌다. 하지만 충·방전 과정에서 생성되는 리튬 폴리설파이드가 전해질에 녹아 음극으로 이동하는 ‘셔틀 현상’이 문제로 지적됐다. 이 현상은 용량 감소, 리튬 금속 부식, 수명 저하를 일으켜 상용화를 가로막는 요인으로 꼽힌다.

기존 연구는 분리막에 다공성 탄소나 극성 물질을 코팅해 폴리설파이드를 흡착·포획하는 방식이 많았다. 그러나 시간이 지나면 흡착 능력이 포화돼 성능이 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 차세대 이차원 소재인 맥신(MXene)과 특수 고분자 소재인 베타 상 PVdF를 결합해 분리막 표면에 음전하 전기장을 만들었다. 이를 통해 음전하를 띠는 리튬 폴리설파이드가 같은 전하끼리 밀어내는 원리로 분리막을 통과하기 어렵게 했다. 배터리 작동에 필요한 리튬 이온은 통과시키면서 수명 저하를 일으키는 물질의 이동은 줄이는 방식이다.

실험 결과, 이 분리막을 적용한 리튬-황 전지는 고황 로딩과 제한된 전해질 조건에서도 충·방전을 반복하는 동안 높은 용량을 안정적으로 유지했다. 음극 손상과 수지상 결정(덴드라이트) 형성도 억제되는 것으로 확인됐다.

임 교수는 “이번 연구는 단순 흡착 방식이 아니라 전기적 반발 개념을 도입해 리튬-황 전지의 수명 문제를 해결했다는 데 의미가 있다”며 “전기자동차와 에너지저장장치 등 차세대 배터리 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한국연구재단 지원을 받아 수행된 이번 연구는 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스트 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 5월호에 온라인 게재됐다. 한양대 김선주 박사과정생이 제1저자, 임 교수가 교신저자로 참여했다.