리튬이온 2~3배 에너지 저장...고체 리튬-황 전지 '성능·안정성' 동시에 잡았다 고려대 문준혁 교수팀, '이중층 고분자 전해질' 도입해 걸림돌 해소
차세대 고에너지 저장장치로 주목받는 리튬-황 전지의 성능과 안전성을 함께 높일 수 있는 새로운 전해질 설계가 제시돼 주목된다. 고려대학교 화공생명공학과 문준혁 교수 연구팀은 양극과 음극에 접촉하는 고분자 고체 전해질을 각각 다르게 설계하는 방식을 적용해, 고체 리튬-황 전지의 느린 충방전 반응과 짧은 수명 문제를 동시에 개선하는 데 성공했다고 25일 밝혔다. 이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제 학술지 'Chemical Engineering Journal'에 24일 게재됐다. 리튬-황 전지는 현재 전기차·스마트폰 등에 쓰이는 리튬이온전지 대비 2~3배 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 차세대 이차전지로 꼽힌다. 그러나 액체 전해질 환경에서는 충·방전 과정 중 생성되는 폴리설파이트(반응 중간체)가 전해질에 녹아 빠져나가면서 활물질이 손실되고 용량이 급격히 저하되는 '폴리설파이드 셔틀' 문제가 발생한다. 장기 수명 확보에 치명적인 약점이다. 이를 해결하기 위해 액체 전해질 대신 고체 전해질을 적용하는 방식이 대안으로 떠올랐다. 고체 전해질은 폴리설파이드 용출을 원천 차단할 수 있지만, 황 전환 반응이 고체-고체 계면에서 이뤄지다 보니 충·방전시 반응 속도가 크게 떨어진다.
△ 고체 전해질 이미지
연구팀은 양극과 음극에 접촉하는 고분자 전해질을 각각의 역할에 맞게 다르게 구성하는 전략틀 택했다. 서로 다른 특성의 고분자를 이중층으로 쌓은 전해질을 도입했다. 이 이중층 구조가 폴리설파이드 용출을 억제하면서 동시에 고체 환경에서 느려지는 황 전환 반응까지 촉진하는 두 가지 역할을 한꺼번에 수행한다.
△ 이중 고분자 층 고체 전해질 개념도
이를 통해 고체 리튬-황 전지에서 빠른 충·방전 전환 반응과 안정적인 장기 수명을 동시에 달성할 수 있음을 입증했다. 전해질 소재 자체를 바꾸는 기존 접근과 달리, 양극·음극 각 계면의 요구 조건에 맞춰 고분자 전해질을 맞춤 설계했다는 점에서 새로운 방향을 제시한 성과로 평가된다. 문준혁 교수는 "이번 연구는 고체 리튬-황 전지의 성능과 안정성을 함께 높일 수 있는 새로운 전해질 설계 방법을 제시했다"며 "앞으로 고성능 차세대 배터리 개발과 상용화 연구에 도움이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다. 한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 2026년 3월 24일 게재되었다.
*논문명: Spatially Engineered Polymer-in-Salt Electrolytes for Solid-State Lithium–Sulfur Batteries *DOI: doi.org/10.1016/j.cej.2026.175471 *URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894726029311?via%3Dihub
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