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박호석 성균관대 교수팀, 차세대 ‘리튬황전지’ 성능·안정성 높이는 공정기술 개발

기사승인 2019.04.02  10:24:56

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리튬이온전지 대비 에너지 저장능력이 높아 차세대 이차전지로 주목받고 있는 리튬황전지의 수명을 늘려주는 공정기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 2일 성균관대학교 박호석 교수 연구팀은 분무동결 방법으로 황 나노 막대기와 그래핀의 복합체를 합성해 고용량, 장수명 리튬황전지 개발에 성공했다고 밝혔다.

전기자동차, 신재생에너지 저장장치에는 기존 전지보다 높은 에너지 저장효율이 요구되는 중대형 전지가 필수적으로 탑재된다. 자원이 풍부하고 가격이 저렴한 황을 사용하면서 리튬이온전지보다 이론적으로 저장능력이 약 5배 가량 높은 리튬황전지 기술이 주목받고 있는 이유다.

하지만 전기전도성이 낮은 특성과 전해액으로 녹아들면서 전지 성능이 저하되거나 수명을 단축시킬 수 있는 단점으로 상용화에는 문제점으로 지적돼왔다.

막대모양 황이 담지된 그래핀볼 복합체 조립 과정 [한국연구재단]

박호석 교수 연구팀은 분무동결 합성법(Spray Frozen, SF)을 개발해 황과 그래핀이 결합된 공 모양의 입자를 합성하고 내부 기공 구조를 정밀하게 제어했다. 

분무동결(SF) 합성법은 나노입자를 스프레이처럼 뿌리고 동결 건조시키는 방법으로 다공성 그래핀에 막대모양 황 입자가 다량 결합되면서 밤송이 같은 형태를 갖는다. 이 방법으로 황을 고르게 분포시킬 수 있고 입자 형태와 다공성 구조를 동시 제어할 수 있는 이점이 있다.

연구팀은 그래핀이 전기전도성을 보완해주고 황과 그래핀이 강하게 결합하면서 황이 전해액으로 녹아드는 현상을 효과적으로 억제했음을 확인했다고 밝혔다.

개발된 SF 합성법은 거의 모든 나노소재를 마이크로 볼 형태로 결합할 수 있는 장점도 있다. 또 입자 크기나 밀도, 개방형 다공성의 내부 구조까지 제어할 수 있다. 분무 방식이므로 대량 합성, 대면적화도 가능하고 물을 용매를 사용하면서 친환경적이다.

박호석 교수는 “이번 연구에서 고안한 분무동결 합성법은 다양한 나노소재의 복합체 구성과 개방형 다공성 구조의 제어에 응용될 수 있다”며 “이 합성법의 우수성을 보여주기 위해 개발한 리튬황전지용 양극 소재는 높은 에너지용량이 요구되는 차세대 전자기기, 전기차 부문에 활용될 것으로 기대한다”고 연구 의의를 설명했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업과 한국철도기술연구원 주요사업의 지원으로 수행됐으며 나노과학기술 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 3월14일 공개, 표지논문으로 선정됐다.

최태우 기자 desk@theinterface.kr

<저작권자 © 인터페이스뉴스 무단전재 및 재배포금지>
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