비타민C 활용한 전기차 리튬황 배터리 개발

-그래핀 복합체 형성에 비타민-C 활용…리튬황 배터리 충방전 성능 20% 향상

-환경 이재영 교수팀, ChemSusChem 논문 게재…전기차 적용 가능성 높여

 

 

 

(그림3) 비타민-C를 활용해 더 많은 에너지를 짜낸다는 이번 연구의 개요와 핵심 의의를 보여주는 이미지.

오렌지는 비타민-C를 의미하며, 아래 노란색의 구는 황, 바닥의 육각 구조는 그래핀을 표현함

 

 

□ 국내 연구진이 비타민-C로 처리된 황(S8) 나노입자를 활용해 전기자동차에 사용될 차세대 배터리로 주목받고 있는 리튬황 배터리*의 성능을 향상시키는 데 성공했다. 이번 성과는 전기자동차용 리튬황 배터리의 상용화 가능성을 더욱 높일 것으로 기대된다.

 

* 리튬황 배터리: 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 선정한 ‘2014 미래유망기술 10선’ 중 하나로, 단위 무게의 이론적 에너지 밀도가 최대 2,100wh/kg으로 리튬이온전지(최대 387 Wh/kg)의 5.4배에 이르는 고용량 차세대 배터리

 

  ∘ 지스트(GIST․광주과학기술원․총장 문승현) 환경공학부 이재영 교수(교신저자·에틀(Ertl) 촉매 연구센터)가 주도하고 김진원 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 한국생산기술연구원이 주관하는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업으로 수행되었고, 화학‧에너지 분야의 세계적인 학술지인 ChemSusChem 4월 29일자 온라인판에 게재됐다.

*논문명: Improvement of energy capacity via Vitamin C-treated dual-layered graphene-sulfur cathodes in lithium sulfur battery

 

 

 

이재영 교수(왼쪽)와 김진원 박사과정생

 

 

□ 친환경 이동수단인 전기자동차의 주 동력원으로 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 용량이 작은데다 고출력을 위해 필요한 부피 면적이 크고 무게가 무거워 성능 개선에 어려움을 겪고 있다.

 

  ∘ 최근 리튬이온 배터리를 대체할 동력원으로 가볍고 경제적이며 용량이 큰 리튬황 배터리가 주목받고 있지만, 황의 비전도성과 전기화학적 충‧방전 시 중간산물인 폴리설파이드의 용출* 로 인한 충‧방전 사이클 성능의 급격한 저하 문제는 아직까지 극복 과제로 남아 있다.

 

*폴리설파이드(polysulfide) 용출: 리튬황 배터리의 양극에서는 고체인 황(S8)이 전기화학적 충‧방전을 거치면서 환원되는데, 이때 중간 산물(액상)인 폴리설파이드(Li2Sx, 2□ 연구팀은 친환경적이고 경제적인 비타민-C를 녹색합성공정에 도입해 황 나노입자-그래핀 복합체를 합성하고, 그래핀 산화물의 환원 정도를 조절해 이중층(dual-layered) 양극 구조를 구현한 리튬황 배터리를 개발했다.

 

 

 

 

(그림1) 이번 연구에서 개발한 이중층 양극 구조의 단면. 알루미늄 집전체(연한 회색) 상단에 위치한 그래핀 산화물-황 나노입자 복합체(검정색)에 포함된 활성층과, 높은 환원으로 전기전도성을 향상시킨 그래핀으로 구성된 흡수층(진한 회색)으로 구성됨

 

 

 

(그림2) (위) 전기화학적인 충‧방전 중에 발생하는 폴리설파이드 용출을 표현한 그림. 활성층에서 화학적 용출이 억제되고, 억제되지 못한 폴리설파이드는 흡수층에서 2차적으로 억제함. (아래) 충‧방전 횟수에 따른 리튬황 배터리의 용량 변화 그래프로, 기존 공정으로 제조한 양극(분홍색)과 본 연구에서 개발한 이중층 양극(빨간색)의 성능을 나타냄. 이중층 양극이 충‧방전 시 기존 공정의 양극보다 향상된 용량을 보임

 

 

 

  ∘ 기존 황 나노입자의 형성 과정에서 사용되는 염산(HCl) 같은 강산 물질의 경우 나노입자 크기가 수백 나노미터~수 마이크로미터로 불균일하게 합성되지만, 연구팀은 약산인 비타민-C 파우더를 물에 녹인 뒤 이용해 입자 크기를 20-30㎚로 균일하게 그래핀 표면 위에 합성하고, 이를 전극의 활성층에 사용했다.

 

  ∘ 또한 비타민-C는 그래핀 산화물 표면의 산소 양을 효율적으로 조절할 수 있어, 활성층에는 산소의 양이 많은 그래핀 산화물과 황 나노입자 복합체를 합성하였고, 활성층 상단의 폴리설파이드 흡수층에는 산소의 양을 감소시켜 전기전도성을 향상시킨 그래핀 층을 도입했다.

 

  ∘ 연구팀은 폴리설파이드의 용출을 화학적‧물리적으로 억제해 리튬 음극과 전해질을 오염시키지 않을 수 있었고, 황 이용률 극대화를 통해 리튬황 배터리의 사이클 성능(충방전 반복에 따른 용량 감소 문제)을 기존보다 20% 향상시킬 수 있었다.

 

 

 

□ 이재영 교수는 “이번 연구 결과는 비타민-C를 활용한 친환경적인 방법으로 리튬황 배터리 상용화의 극복 과제였던 낮은 사이클 안정성을 향상시켰다 데 큰 의미가 있다”며 “향후 차세대 전기자동차용 배터리의 적용 가능성을 더욱 높일 것으로 기대한다”고 말했다.  <끝>

 

 

 

대외협력팀