기술이 발전하고 다양한 산업이 등장하면서 충전과 방전을 자유자재로 할 수 있는 2차전지는 필요한 연구분야로 주목받고 있다. 2차전지 중에서도 납축전지와 니켈카드뮴, 니켈수소전지와 같은 리튬이온 전지는 전기자동차는 물론 로봇, 전동공구 등 다양한 장치들에게 안될 요소다. 
리튬이온전지가 주목을 받는 이유는 보통전지와 비교해 더 높은 전압의 전기을 만들기 때문이다. 일반 전지는 약 1.3~2 볼트 정도지만, 리튬이 포함된 전지는 3볼트 이상의 전압을 얻을 수 있다. 다른 금속 이온에 비해 작고 가볍기 때문에 이를 활용하면 단위 무게당 큰 에너지, 즉 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 


에너지밀도, 리튬이온전지의 약 5배

외부의 강한 충격이나 압력으로 변형이 발생하면 전지 내부 온도가 크게 올라가 리튬이온전지를 둘러싸고 있는 금속 캔이 부풀어 올라 폭발하게 된다. 안정성의 문제를 안고 있는 리튬이온 전지를 대체하기 위해 과학계는 리튬 황 전지개발을 가속화하고 있다.
이런 가운데 국내 연구진이 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 약 5배 이상 높은 리튬황전지를 개발해 주목을 받고 있다. 김도경 카이스트 신소재공학과 교수팀이 EEWS 최장욱 교수와 공동으로 리튬이온 배터리의 수명과 에너지 밀도를 크게 뛰어넘는 리튬황 전지를 개발했다. 
연구결과는 그 성과를 인정받아 나노소재 분야의 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials’ 표지논문으로 게재됐다.
“개발한 리튬황 전지는 단위 무게당 에너지 밀도가 최대 2천100Wh/kg입니다. 이는 현재 상용화 중인 리튬이온전지(최대 387Wh/kg)보다 약 다섯 배 높은 양이죠. 기존에 개발된 리튬황 전지가 갖는 충·방전에 따른 급격한 용량감소 문제를 해결해 수 백 번 충·방전이 가능하게 된 셈입니다.”
김도경 교수팀은 나노전극 재료합성기술을 활용, 두께 75나노미터, 길이 15마이크로미터의 황 나노와이어를 수직으로 정렬해 전극 재료를 제작했다. 이렇게 제작된 황 나노와이어 정렬 구조는 1차원 구조체인 만큼 전자 이동이 매우 빨라 전극의 전도도를 극대화시켰다.
더불어 황 나노와이어 표면에 탄소를 균일하게 코팅, 황과 전해액의 직접적인 접촉을 막아 충·방전 중 황이 녹아나는 것을 방지함으로써 리튬황 전지가 갖는 수명저하 문제를 해결했다.
“리튬황 전지 시스템은 이미 많은 연구자들에 의해 연구가 진행됐습니다. 하지만 리튬황 전지를 사용하기 위해 여러 가지 문제점을 해결해야 했는데, 그 중에서도 우리 연구팀은 가장 큰 문제점이라고 할 수 있는 충‧방전 시 용량감소를 해결하는 전극재료를 제작했습니다.
충‧방전을 하게 되면 황의 중간 생성물이 생기고 이것이 전해질과 접촉 하면 녹아나게 되면서 용량이 감소하게 돼요. 우리는 이 문제를 얇은 카본 막을 황에 씌워 황의 중간 생성물들이 녹지 않도록 했습니다.”
김 교수가 언급했 듯, 기존에도 리튬황 전지의 연구를 지속적이었지만 기존의 리튬황 전지용 전극은 초기에 높은 용량을 보임에도 불구하고 충·방전을 반복함에 따라 지속적인 용량감소를 보였다. 때문에 이를 해결하는 것이 가장 시급한 과제였는데 김도경 교수팀이 이를 효과적으로 극복했다.
개발된 전극은 3분마다 한 번 충·방전이 이뤄지는 빠른 방전속도에서 300회의 충·방전 후에도 초기 용량의 99.2%를 유지했고 1천회의 충·방전 후에도 70%이상 용량을 나타냈다. 이에 따라 김도경 교수팀의 연구결과는 이차전지에서 가장 중요한 특성인 수명과 에너지 밀도 등에서 기존의 어떠한 전극보다 성능이 우수한 것으로 평가받고 있다.


리튬이차전지의 한계에서 시작한 연구




“차세대 전지에 대한 세계적인 관심이 급증했지만 그것을 만족시켜줄 만한 연구결과는 없었어요. 때문에 우리팀에서 이번 연구를 시도하게 됐죠. 연구과정이 결코 쉽지는 않았습니다. 무엇보다 각각의 공정을 최소화하기 위해 수십 회의 다양한 조건에서 실험을 반복하는 게 가장 힘들었어요.”
김 교수팀의 이번 연구는 리튬이온 전지의 대체재로 불리는 리튬 황 전지의 여러 가지 문제점을 해결한 사례로 평가받고 있다. 이에 대해 김 교수는 “개발된 리튬황 전지는 무인기와 전기자동차, 재생에너지 저장장치 등에 필요한 차세대 고성능 이차전지의 실현을 앞당길 수 있는 기술”이라고 말했다.
그는 “앞으로 대표적인 차세대 이차전지인 리튬황 전지의 오랜 난제인 수명저하의 해결방안을 찾아 세계 최고 수준의 성능을 구현해 해당 분야에서 우리나라가 기술 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대하고 있다”며 이번 연구가 가진 의의를 설명했다. 
개발된 연구는 다른 리튬 황 전지용 전극 재료에 차용함에 따라 좀 더 향상된 리튬 황 전지용 전극을 개발할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 김도경 교수는 앞으로 연구와 관련, “이번 연구의 컨셉을 바탕으로 다양한 응용을 통해 도육 향상된 전극 재료에 관한 연구를 진행할 예정”이라며 앞으로의 포부를 밝혔다.