DGIST, 리튬-황(Li-S) 배터리의 수명 연장 가능한 보호막 기술 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 이홍경 교수와 LG에너지솔루션이 연세대학교 이용민 교수 공동연구팀과 함께 리튬-황(Li-S) 배터리의 수명을 획기적으로 연장할 수 있는 새로운 보호막 기술을 개발했다.

리튬-황 배터리의 효율성과 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 지니고 있어, 차세대 고에너지 밀도 배터리 개발에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

리튬-황 배터리는 기존의 리튬이온 배터리를 능가하는 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있고 가격이 저렴해 차세대 배터리 기술로 주목받고 있다. 그러나 리튬 금속 음극의 불안정성과 전해질 소모 문제로 인해 수명이 짧다는 단점이 있다. 리튬 금속 음극 표면에 쌓이는 덴드라이트(나뭇가지 모양의 결정체) 형성과 전해질의 빠른 소모는 배터리의 효율을 저하시켜 실용화에 큰 장애물이 되고 있다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘표면 적응형 이중층 보호막(APL, Adaptive Protective Layer)’을 개발했다. 이 보호막은 두 개의 층으로 구성돼 있다. 내부층은 리튬 금속 음극 표면에 잘 붙어 음극이 변화할 때 이를 잘 따라가도록 돕는다. 외부층은 전해질과 리튬-황 배터리의 충‧방전 과정에서 생성되는 화합물인 리튬 폴리설파이드가 내부로 침투하지 못하게 막아주어 배터리의 성능과 수명을 개선한다. 

APL은 리튬이 나가고 들어올 때 생기는 리튬 금속 음극의 큰 변화에 잘 적응하여 보호막의 기능을 오랫동안 유지한다. 이로 인해 전해질의 손실을 줄여 기존 배터리보다 두 배 이상 오래 사용할 수 있게 됐다.

이 보호막은 잘 늘어나고 표면에 잘 붙어 초기 리튬이 나올 때 보호막이 벗겨지는 것을 막아준다. 연구팀은 배터리 성능을 높이기 위해서는 벗겨지지 않게 하는 것이 중요하다고 강조했다. 

DGIST 에너지공학과 이홍경 교수는 “이번 연구는 리튬황 배터리의 실용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 중요한 성과”라며 “향후 다양한 보호막 소재를 테스트해 최적의 조합을 찾는 연구를 지속할 것”이라고 말했다.

한편, 본 연구는 재료공학 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’의 24년 3월호에 게재되었다. 해당 연구는 한국연구재단의 선도연구센터(ERC) 및 나노 및 소재 기술개발사업과 함께 LG에너지솔루션의 지원을 받아 수행됐다.