유승호 교수, 리튬-황 배터리 내부 반응 실시간 관측… 첨가제 역할 다각적 규명
△ (왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과 유승호 교수(교신저자), 고려대 이윤정 석박통합과정(제1저자)
고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 오페란도 광학 현미경으로 리튬-황 전지 속 반응을 실시간으로 관찰하고, 질산리튬 첨가제가 전지 내 계면 전반에서 수행하는 역할을 다각도로 규명했다.
△ 리튬-황 전지의 오페란도 광학 현미경 이미징 및 질산리튬 유무에 따른 전극-전해질 계면 반응 모식도
이번 연구 성과는 재료·에너지 분야의 국제적인 학술지 ‘InfoMat(IF=22.3)’ 온라인에 9월 7일 게재됐다.*논문명 : Comprehensive elucidation of the multifunctional role of lithium nitrate in lithium-sulfur batteries: expanding beyond shuttle suppression*DOI: 10.1002/inf2.70071
리튬-황 전지는 비용이 낮고 독성이 적으면서도 에너지 저장 용량이 커, 차세대 배터리로 주목받고 있다. 그러나 활물질의 낮은 전기 전도도와 다황화물의 셔틀현상, 리튬금속 음극의 불안정성 문제가 있어 실제 활용에는 한계가 있었다. 또한 활물질의 반복적인 용해 및 석출로 배터리 내부 반응을 직접 확인하는 데에 어려움이 있어 반응 메커니즘에 대한 직관적인 이해가 미흡했다.*활물질: 전지를 충·방전할 때 직접 반응해 에너지를 저장·방출하는 물질
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 리튬-황 전지 내부를 실시간으로 관찰할 수 있는 오페란도 광학 현미경 시스템을 개발했다. 이를 통해 충·방전 과정에서 리튬 금속이 전극으로부터 용해 및 전착되는 과정, 다황화물이 녹고 확산되는 과정, 황이 결정으로 석출되어 재분포하는 과정을 관찰했다. 나아가 촬영한 영상을 정량적으로 분석해, 그동안 명확히 설명하기 까다로웠던 배터리 내부 반응을 구체적으로 밝혀냈다.
특히, 연구팀은 질산리튬 첨가제의 유무에 따라 전지 계면에서 일어나는 반응이 달라지는 것을 확인했다. 질산리튬이 있을 경우 ▲리튬 금속의 불규칙한 탈락 억제 ▲다황화물 이동 완화 ▲황 결정화 균일화 촉진 등 다양한 안정화 효과가 나타나 배터리의 수명과 안정성이 크게 향상될 수 있음을 입증했다.
유승호 교수는 “이번 연구는 리튬-황 전지 속 전극-전해질 반응을 실시간으로 관찰했다는 점에서 의미가 크다”라며, “전해질 성분에 따른 변화를 확인해 성능 최적화 전략 마련에 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 이어 “이번 기법은 다른 전지에도 적용 가능해 고성능 배터리 상용화를 앞당기는 데 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 LG에너지솔루션과의 협업으로 진행됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구 및 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행됐다.
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