고려대, 고성능 리튬-황 전지 개발
폴리설파이드의 심리스(SEAMLESS) 흡착-전환이 가능한 양극재 제시

▲ (왼쪽부터) 문준혁 교수(교신저자), 이해리(주저자, 석박사통합과정), 남현석(참여저자, 석박사통합과정)

고려대학교(총장 김동원)가 에너지 용량과 충‧방전의 안정성을 대폭 늘린 리튬-황 전지를 개발했다.

본 연구는 고려대 화공생명공학과(겸 스마트모빌리티학부) 문준혁 교수연구팀이 진행했으며 지난 10일(월) 에너지 재료 분야 세계적 권위 학술지 ‘Energy Storage Materials (IF:20.4)’에 게재됐다.
* 논문명: Seamless Integration of Nanoscale Crystalline-Amorphous MoO3 Domains for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries
* 논문 DOI 링크: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103551

리튬-황 전지는 기존 리튬-이온 전지에 비해 2~3배 높은 에너지 밀도의 구현이 가능하다. 또한, 양극 재료로 사용되는 황의 풍부함과 낮은 가격 덕분에 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 그러나 폴리설파이드(충‧방전 중에 형성되는 중간 물질)의 느린 전환으로 인한 상대적으로 낮은 충‧방전 안정성이 개선점으로 대두됐었다.

연구팀은 이를 해결하고자 결정질 몰리브덴 산화물을 부분적으로 비정질화한 결정질-비정질이 혼합된 몰리브덴 산화물을 이용했다. 그 결과 비정질 영역에서 강하게 흡착된 폴리설파이드가 주변의 결정질 영역으로 빠르게 이동하여 즉각적인 충‧방전 반응이 가능한 것을 밝혀냈다.

이번에 개발된 리튬-황 전지는 500사이클 이상에서 충‧방전 안정성이 확보됐으며, 리튬-이온 전지 대비 높은 330 Wh/kg의 에너지 밀도를 가진다.

교신저자인 문준혁 교수는 “용해된 폴리설파이드를 빠르게 흡착하고 충‧방전에 참여하게 하는 ‘끊김없는(SEAMLESS)’ 양극 재료로 리튬-황 전지의 성능이 크게 향상됨을 확인했다.” 고 전했다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업의 지원으로 이뤄졌다.

 * 문준혁 교수 홈페이지: http://moonlab.korea.ac.kr

<그림 1> 

[그림 1 설명]  결정질-비정질의 혼합된 영역을 갖는 몰리브덴 산화물의 원자 구조 모형, 해당 산화물 표면에서 연속적으로 이루어지는 폴리설파이드 분자의 흡착과 전환

<그림 2> 

[그림 2 설명] 연구팀이 개발한 리튬-황 전지를 이용한 LED소자의 작동

커뮤니케이션팀 유정아 (aajyoo@korea.ac.kr)