한국연리튬황전지를 안정화하고 수명을 늘려주는 공정 기술이 개발됐다. 한국연구재단은 성균관대학교 박호석 교수 연구팀이 분무 동결 방법으로 황 나노막대기와 그래핀의 복합체를 합성하고 고용량, 장수명 리튬황전지를 개발했다고 밝혔다.

전기차, 신재생에너지 저장 등은 기존 전지보다 용량이 큰 중‧대형전지가 필수적이다. 리튬황전지는 현재 널리 쓰이는 리튬이온전지보다 이론적으로 에너지 저장능력이 5배가량 높다. 또한 황은 자원이 풍부하고 가격이 저렴해 더욱 관심을 받고 있다.

그러나 황은 전기전도성이 낮고 전해액으로 녹아들면서 전지의 심각한 성능저하 및 수명 손실을 가져오기 때문에, 리튬황전지의 상용화에 앞선 기술적인 한계가 있다.

연구팀은 분무 동결법을 개발해, 황과 그래핀이 결합된 공 모양의 입자를 합성하고 내부 기공 구조를 정밀하게 제어했다. 그래핀이 전기전도성을 보완해주고, 황과 그래핀이 강하게 결합해 황이 전해액으로 녹아드는 현상을 효과적으로 억제했다.

분무 동결(Spray Frozen, SF) 합성법은 나노입자를 스프레이처럼 뿌리고 동결 건조시키는 방법이다. 이를 통해 다공성 그래핀에 막대모양 황 입자가 다량 결합돼 밤송이 같은 형태를 가진다. 이 방법으로 황을 고르게 분포시킬 수 있고, 입자 형태와 다공성 구조를 동시 제어할 수 있다.

개발된 SF 합성법은 거의 모든 나노소재를 마이크로 볼 형태로 결합할 수 있다. 또한 입자 크기, 밀도, 개방형 다공성의 내부 구조까지 제어할 수 있다. 분무 방식이므로 대량 합성, 대면적화도 가능하고, 물을 용매를 사용하므로 친환경적이다.

박호석 교수는 “이 연구에서 고안한 분무 동결 합성법은 다양한 나노소재의 복합체 구성과 개방형 다공성 구조의 제어에 응용될 수 있다”라며, “이 합성법의 우수성을 보여주기 위해 개발한 리튬황전지용 양극 소재는 높은 에너지 용량이 요구되는 차세대 전자기기, 전기차 등에 활용될 것으로 기대된다”라고 연구재단 미래소재디스커버리사업과 한국철도기술연구원 주요사업의 지원으로 수행됐다. 나노과학기술 분야 저명한 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 3월 14일 공개됐고, 표지논문으로 선정됐다.

막대모양 황이 담지된 그래핀볼 복합체 조립 과정

(a) 분무 동결 합성방법을 통해 만들어진 막대모양 황이 담지된 방사배향된 개방형 다공성 마이크로 그래핀볼 합성방법 모식도이다.

(b) 급속 냉동과정에서 물방울 바깥에서 안쪽으로 방사형태로 얼음주형이 형성되고, 이후 동결건조 과정을 거쳐 얼음을 승화시킴으로써 방사형태의 그래핀볼 구조가 형성된다.

막대모양 황이 담지된 그래핀볼 복합체의 구조 및 장기수명 안정성

분무 동결 합성방법을 통해 만들어진 막대모양 황이 담지된 방사배향된 개방형 다공성 마이크로 그래핀볼의 그래핀 표면과 강한 공유결합을 통해 형성된 막대모양의 나노황 이미지이다. 이를 통해 활물질의 손실을 효과적으로 억제시킴으로써 고안정성 장수명 특성을 보여준다.

★ 연구 이야기 ★

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.

A. 우리 연구팀은 자연계의 얼음 결정이 형성되는 현상을 적용해서 차세대 이차전지인 리튬황전지의 문제점을 해결하기 위한 방법을 고안했다. 고성능·고안정성 리튬황전지용 전극을 개발하기 위해서는 전기전도성이 낮은 황, 충·방전과정에서 발생하는 황 중간생성물이 전해액에 녹아드는 현상, 그래핀과 같은 카본 표면에 매우 고르게 황을 담지하는 방법 등을 좀 더 명확하게 해결하기 위해 이 연구를 시작했다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.

A. 기존에 황이 가진 단점들을 보완하고 해결하기 위해 다음의 과정을 거쳤다. 오존처리를 통한 황 물 분산액 제조, 용액법으로 그래핀과 황의 혼합액 형성, 분무 동결 합성법을 이용해 얼음 결정의 형성에 의해서 방사배향된 개방형 다공성 구조의 마이크로 그래핀볼을 합성했다.

그렇게 황이 담지된 그래핀볼 복합체를 합성해 황의 낮은 전도성을 그래핀을 통해 극복했고, 활물질인 황이 매우 고르체 분포될 수 있도록 했으며, 산소기능기가 풍부한 그래핀 표면과 결합된 황은 막대형태의 나노 황 입자를 형성해 전해액에 녹아드는 현상을 효과적으로 억제함으로써, 리튬황전지의 수명저하의 해결책을 제시했다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.

A. 지금까지 나노소재를 2차 입자 형태로 만들면서 입자크기, 밀도, 방사배향형 구조 제어를 단번에 제어할 수 있는 기술은 보고된 바 없었다. 우리 연구팀이 고안한 분무 동결 합성방법은 거의 모든 나노소재를 활용 가능한 범용적인 특징과 용매로 물을 사용한다는 점에서 매우 친환경적인 소재 공정기술이다. 이 공정을 통해 합성된 리튬황전지 양극소재는 탄소나노소재와 막대모양의 나노황입자가 강한 결합을 형성해, 고용량, 고안정성 리튬황전지 성능 향상을 입증했다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은.

A. 이 공정을 좀 더 정밀하게 구조 및 조성 제어가 가능하도록 최적화하고 재현성을 확보하고는 연구와 더불어, 다른 분야의 나노소재에도 적용해서 확장하고자 한다. 또한, 이 공정을 응용해서 다른 구조를 유도하기 위한 새로운 화학을 접목할 계획이다.