DGIST, 단일 공정으로 다기능 탄소-티타늄 복합소재 개발

고효율 호스트 물질 개발

리튬-황 전지 성능·수명 향상

연구결과 ‘ACS Nano’에 게재

마그네슘 환원법을 기반으로 간단하면서도 효율적인 새로운 구조 설계 전략.ⓒ대구경북과학기술원

대구경북과학기술원(DGIST)은 유종성 에너지공학과 교수 연구팀이 리튬-황(Li-S) 전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 전극 소재를 개발하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.

이번 연구는 티타늄일산화물(TiO) 나노입자와 질소(N)를 포함한 벌집 구조의 고흑연화 다공성 탄소(TiO-NGPC)를 하나의 공정(마그네슘 환원법)으로 간단하게 제조한 것이 핵심 성과다.

리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지보다 에너지 저장 용량이 높고 가벼워 차세대 고용량 배터리로 주목받고 있다.

그러나 황은 전기가 잘 통하지 않고 충·방전 과정에서 생성되는 리튬 폴리설파이드 물질이 전해질로 새어 나가 전지 성능을 떨어뜨리는 문제가 있어 상용화에 어려움이 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 황을 단단히 붙잡아두고 전기 전달이 잘 되는 다공성(구멍이 많은) 탄소 구조가 필요하다. DGIST 연구팀이 개발한 TiO-NGPC 소재는 탄소 구조가 벌집처럼 다공성이면서도 높은 전기전도성을 갖고 있어 황을 안정적으로 보관하고 전하 전달을 원활하게 하는 역할을 한다.

또 이 소재는 극성(Polar) 성질을 가진 티타늄일산화물(TiO)과 질소(N)가 함께 포함돼 있어 전지 반응 중 생성되는 극성 리튬 폴리설파이드 물질을 강하게 붙잡아두는 흡착 능력이 뛰어나다.

더불어 반응을 빠르게 일으키는 촉매 역할까지 수행해 황이 새어나가지 않도록 막고 전지 반응 효율을 높여 전지의 성능과 수명을 동시에 향상시킨다.

유 교수는 “연구는 리튬-황 전지의 고질적인 문제였던 성능 저하를 해결할 수 있는 새로운 설계 전략을 제시했다”며 “다기능성을 가진 탄소 기반 호스트 소재를 단일 공정으로 제조할 수 있어 향후 상용화 연구에도 중요한 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.

한편, 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 과학난제도전융합연구개발사업의 지원을 받아 수행됐으며 연구 성과는 나노소재 분야의 국제 저명 학술지 ‘ACS Nano’에 이달 게재됐다.