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리튬 설퍼 전지 연구

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전기자동차, 휴대용 전자 디바이스와 가정용 에너지 저장 전원이 신속히 발전함에 따라 높은 비에너지(High specific energy) 이차 전지 시스템(Secondary battery system) 개발이 수요되고 있는 상황이다. 리튬 설퍼 전지(Lithium sulfur batteries)는 2600Wh/kg 수준에 달하는 높은 이론 질량의 비에너지를 보유하고 있기 때문에 현재 해당 분야 선행 연구 과제 및 연구 이슈로 되고 있는 상황이다. 

중국과학원 화학 연구소 산하 ‘분자 나노 구조 및 나노 기술 중국과학원 중점 실험실’의 궈위궈(郭玉國) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 금속 리튬 음극과 설퍼 양극 관련 기초 연구를 실행하였으며 리튬 설퍼 소프트 패키지(Soft package) 전지 공정 기술 연구 분야에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18510;Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 13186; J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2215; Nat. Commun., 2015, 6: 8058, doi:10.1038/ncomms9058). 

이번 연구는 중국과학원의 ‘선행 연구 전문 프로젝트’ 비용, 국가과학기술부의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다. 

연구팀은 최근 년간 효율적이고 안정적인 높은 비에너지(High specific energy) 리튬 설퍼 전지 재료 연구를 실행하여 왔다. 연구팀은 리튬 설퍼 전지 속의 기존 링 형태의 S8 분자 양극 재료 충전, 방전 과정 속에서 수용성 폴리 설파이드 이온을 형성하여 설퍼 양극의 순환 성능이 극히 취약해지는 문제점에 근거하여 설퍼 분자 구조 디자인으로부터 출발하여 체인 형태의 작은 설퍼 분자가 이런 폴리 설파이드 이온이 용해되어 유출되는 난제를 근본적으로 해결할 수 있도록 하는 혁신적인 방법을 제시하였다. 

동시에 연구팀은 나노 기공의 공간 제한 구역 효과를 통해 기존의 형태와 다른 서브 안정 상태의 작은 설퍼 분자에 대한 선별과 안정화를 실현하였으며 특정 용량 수준이 높고 배율(Magnification) 성능이 우수하며 순환 성능이 우수한 설퍼-탄소 양극 재료를 개발하는데 성공하였다(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18510). 

최근 연구팀은 공간 제한 구역 체인 상태 설퍼 분자의 전기화학 리튬화/리튬 제거화 메커니즘 연구 분야에서 혁신적인 성과를 취득한 상황이다. 연구팀의 관련 연구 성과는 미국화학회지(J. Am. Chem. Soc)에 발표되었다(J. Am. Chem. Soc.(2015, 137, 2215−2218)). 

연구팀은 1차원 체인 형태의 설퍼 분자를 탄소 나노튜브 속에 제한하여 체인 형태 설퍼 분자 전기화학 성능을 보유한 모델 시스템을 구축하는데 성공하였다. 동시에 원 위치 및 세미 원 위치에 대한 심층적이고 계통적인 연구를 통해 탄소 나노튜브 제한구역의 체인 형태의 설퍼는 일종 특이한 전기화학 반응 과정을 통해 설퍼 체인으로 하여금 반응 과정을 단축시킬 수 있도록 하고 전기화학 성능에 대한 자발적인 최적화를 실현할 수 있도록 한 동시에 반응으로 하여금 고체 위상 반응에 접근할 수 있도록 함으로써 설퍼 양극 중간 생성물이 용해되어 유출되는 문제점을 효과적으로 피할 수 있도록 하였다(그림 1. 참조). 

연구팀은 순환 안정성의 내부적 메커니즘을 해석한 기초 상에서 “이중 기능 코어-쉘 구조 추천-미세 다공성 탄소 탑재체”를 이용하여 효율적이고 안정적인 동시에 용량이 큰 설퍼 탄소 복합 양극 재료를 디자인하는 방법을 제시하였다. 동 방법을 통해 연구팀은 설퍼의 탑재 용량을 증가시킨 동시에 폴리 설파이드가 용해되어 유출되는 문제를 효과적으로 제한하였으며 확대 가능한 설퍼 양극 재료 개발에 필요한 기술 솔루션을 제시하였다. 

설퍼 양극 외, 금속 리튬 음극도 리튬 설퍼 전지의 실제 응용을 실현하는데 있어서 핵심이 되고 있다. 충전, 방전 과정에서 금속 리튬 음극의 균일하지 못한 용해와 증착(즉 덴드라이트(Dendrite)) 문제에 근거하여 연구팀은 3차원 나노 구리 콜렉터(Collector)를 이용하여 금속 리튬으로 하여금 3차원 전극 내부에서 균일하게 증착되고 용해되도록 하는 아이디어를 제시하였으며 이런 아이디어에 근거하여 음극 표면 금속 리튬 덴드라이트에 대한 제어를 실현하는데 성공하였다. 관련 연구 성과는 Nat. Commun. 학술지에 발표되었다(Nat. Commun.(2015, 6, 8058)). 

관련 연구 결과, 서브 마이크론 골격, 높은 비표면적을 보유한 3차원 구리 호일을 금속 리튬의 증착에 이용할 때 리튬 음극은 주로 3차원 구리 호일의 기공 터널 내에 증착되며(>98%), 전극 표면 리튬 덴드라이트의 성장이 효과적으로 억제된다는 점이 입증되었다(그림 2. 참조). 

부드러운 구리 콜렉터 상의 리튬 음극에 비해 3차원 나노 구리 콜렉터 속에 제한된 금속 리튬 음극은 연속적으로 몇 백 시간 이상 작업이 진행되어도 단락(Short circuit)되지 않으며 리튬의 증착 효율이 대폭 향상되는 것으로 나타났다. 동시에 전지의 수명, 안정성과 안전성도 대폭 향상되는 것으로 나타났다. 이번 연구 결과는 리튬 음극 콜렉터의 역할을 분석하고 실용적인 금속 리튬 음극을 디자인하는 면에서 중요한 의미를 보유하고 있다. 

연구팀은 관련 기초 연구 결과에 기반하여 리튬 설퍼 전지 공정 기술에 대한 연구개발을 실행하였다. 연구팀은 중국과학원의 ‘전략적 선행 과학기술 전문 프로젝트’인 “변혁성 나노 제조 산업 기술 연구” 프로젝트 중의 “장시간 연속 운행이 가능한 동력 전지 연구” 과제 비용 지원 하에 중국과학원 화학 연구소 내에 “리튬 설퍼 소프트 패키지 전지 조립 라인”을 구축하여 리튬 설퍼 소프트 패키지 전지를 제조하였는데 각종 성능 지표가 모두 높은 수준에 도달한 것으로 나타났다. 

연구팀은 현재 단일체 용량이 0.5~30Ah에 달하는 다양한 스펙의 리튬 설퍼 소프트 패키지 전지를 양산하고 있는데 에너지 밀도는 350-450Wh/kg 수준에 달하고 순환 횟수는 50회를 넘고 있는 상황이다. 연구팀이 개발한 리튬 설퍼 소프트 패키지는 지난 9월 3일부터 5일까지 베이징(北京)에서 개최된 “제6회 중국 국제 나노 과학기술 회의(ChinaNANO 2015)”에 전시되었다(그림 3. 참조). 

그림 1. 체인 형태의 설퍼 분자가 리튬 설퍼 전지 속에서의 리튬화-리튬 제거화 과정 표시도임. 

그림 2. 금속 리튬이 다양한 콜렉터 속에서의 증착을 표시함. 

그림 3. 다양한 스펙의 리튬 설퍼 소프트 패키지 전지임.

출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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