▲전기화학적 충·방전 중에 발생하는 폴리설파이드 용출을 표현한 그림.[사진제공=GIST]

[아시아경제 정종오 기자] 비타민-C를 활용한 전기차 리튬황 배터리가 개발됐다. 그래핀 복합체 형성에 비타민-C 를 활용했는데 리튬황 배터리 충·방전 성능이 20% 높아졌다.

국내 연구팀이 비타민-C로 처리된 황(S8) 나노입자를 활용해 전기자동차에 사용될 차세대 배터리로 주목받고 있는 리튬황 배터리의 성능을 향상시키는 데 성공했다. 이번 성과는 전기자동차용 리튬황 배터리의 상용화 가능성을 더욱 높일 것으로 기대된다.

친환경 이동수단인 전기자동차의 주 동력원으로 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 용량이 작은데다 고출력을 위해 필요한 부피 면적이 크고 무게가 무거워 성능 개선에 어려움을 겪고 있다. 최근 리튬이온 배터리를 대체할 동력원으로 가볍고 경제적이며 용량이 큰 리튬황 배터리가 주목받고 있다. 황의 비전도성과 전기화학적 충·방전을 했을 때 중간산물인 폴리설파이드의 용출로 인한 충·방전 사이클 성능의 급격한 저하 문제는 아직까지 극복 과제로 남아 있다.

연구팀은 친환경적이고 경제적인 비타민-C를 녹색합성공정에 도입해 황 나노입자-그래핀 복합체를 합성하고 그래핀 산화물의 환원 정도를 조절해 이중층(dual-layered) 양극 구조를 구현한 리튬황 배터리를 개발했다. 기존 황 나노입자의 형성 과정에서 사용되는 염산(HCl) 같은 강산 물질의 경우 나노입자 크기가 수백 나노미터~수 마이크로미터로 불균일하게 합성된다. 연구팀은 약산인 비타민-C 파우더를 물에 녹인 뒤 이용해 입자 크기를 20~30㎚로 균일하게 그래핀 표면 위에 합성하고 이를 전극의 활성층에 사용했다.

연구팀은 폴리설파이드의 용출을 화학·물리적으로 억제해 리튬 음극과 전해질을 오염시키지 않을 수 있었고 황 이용률 극대화를 통해 리튬황 배터리의 사이클 성능(충방전 반복에 따른 용량 감소 문제)을 기존보다 20% 향상시킬 수 있었다.

지스트(GIST, 광주과학기술원?총장 문승현) 환경공학부 이재영 교수(교신저자·에틀(Ertl) 촉매 연구센터)가 주도했다. 김진원 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 화학·에너지 분야 학술지인 ChemSusChem 4월 29일자 온라인판(논문명: Improvement of energy capacity via Vitamin C-treated dual-layered graphene-sulfur cathodes in lithium sulfur battery)에 실렸다.

이재영 교수는 "이번 연구 결과는 비타민-C를 활용한 친환경적 방법으로 리튬황 배터리 상용화의 극복 과제였던 낮은 사이클 안정성을 향상시켰다 데 큰 의미가 있다"며 "차세대 전기자동차용 배터리의 적용 가능성을 더욱 높일 것으로 기대한다"고 말했다.



정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr
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