고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 중국 칭화대학교 연구팀과 공동으로 저극성 용매 ‘다이에틸 에테르(Diethyl ether, 이하 DEE)’를 활용한 새로운 전해질을 개발하고 고성능 리튬-황 전지 상용화의 핵심 기술을 제시했다.

본 연구 성과는 분야 국제 학술지 ‘Journal of Energy Chemistry(IF=14.9)’ 온라인에 11월 4일 게재됐다.

*논문명: Low-polarity solvent-mediated lithium metal stabilization for improved performance in lithium–sulfur batteries

*DOI: 10.1016/j.jechem.2025.10.041

*URL: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.10.041

리튬-황 전지는 가볍고 에너지 저장 용량이 커 도심 항공 모빌리티(UAM)에 활용될 수 있는 차세대 전지로 주목받고 있다. 하지만 충·방전 과정에서 생성되는 다황화물이 전해질로 녹아 나오는 셔틀 현상 때문에 성능이 떨어지고, 리튬 금속 표면이 쉽게 부식돼 수명이 짧아지는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 배터리 내 물질이 불필요하게 이동하거나 반응하지 않도록 전해질을 새롭게 구성했다. 특히, 문제를 일으키는 다황화물과의 상호작용이 약한 저극성 용매 DEE를 도입하고, 저극성 용매의 낮은 용해성으로 인한 용량 저하를 보완하기 위해 다이메톡시에테인(Dimethoxyethane, 이하 DME)을 적절히 섞어 고성능 전해질을 개발했다.

개발된 DEE/DME 전해질은 리튬 금속 표면에 불필요한 고체 물질이 쌓이는 것을 억제하고, 다황화물이 안정적으로 존재하도록 도와 셔틀 현상을 크게 줄였다. 또한 황의 전환 반응이 더 잘 일어나도록 만들어 높은 방전 용량과 우수한 성능을 달성했다. 연구팀은 이를 통해 전해질 속에서 일어나는 분자 간 상호작용을 규명했으며, 새 전해질이 리튬 금속 표면에 안정적인 보호막을 형성한다는 것을 확인했다.

유승호 교수는 “이번 연구는 전해질 설계에서 용매 선택의 핵심 원리를 규명한 것으로, 리튬-황 전지의 안정성 향상에 중요한 기반을 마련했다”라며 “이번 성과가 UAM과 같은 고에너지 밀도 응용 분야에서 리튬-황 전지의 실질적 상용화로 나아가는 계기가 될 것”이라고 말했다.

본 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구, 국가전략기술소재개발사업(나노소재기술개발) 및 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행됐다.