전기 자동차(EV)의 폭발 사고가 증가함에 따라 높은 안전성을 갖는 배터리의 필요성이 더욱 강조되고 있다. 배터리 전체가 고체로 이루어진 전고체 전지(All-solid-state-battery, ASSB)는 기존 발화성을 갖는 액체전해질을 고체전해질로 대체한 형태의 전지로 매우 안정적이다.

하지만, 높은 고체전해질 함량으로 인해 에너지밀도(무게 및 부피당 전기를 저장할 수 있는 능력)가 떨어지는 문제가 있다. 이에 따라, 최근 높은 이론 용량(1166 mAh/g)을 갖는 황화 리튬 양극을 적용한 리튬-황 전고체 배터리(ASSLSBs)가 고에너지밀도 차세대 배터리로 주목받고 있다.

경상국립대학교(GNU) 공과대학 나노·신소재공학부 성재경 교수 연구팀이 리튬-황 전고체 배터리 성능을 혁신적으로 향상시키는 산화/환원 매개체 기반(Redox mediator) 적용 기술에 대한 방향성을 제시하여 주목받고 있다.

연구팀은 산화/환원 매개체 기반을 통해 리튬 황 양극의 활성화 에너지를 낮추고 전기화학적 성능을 극대화할 수 있으며, 산화/환원 매개체가 단순한 활성화 에너지를 감소시키는 것에 그치지 않고, 효율적인 리튬 이온과 전자의 반응을 유도하여 산화/환원 반응의 안정성을 높일 수 있다는 점을 강조한다.

이번 연구에서는 다양한 산화/환원 매개체의 설계 전략과 그에 따라 전고체 전지 성능 영향에 관하여 논의하며, 적절한 산화/환원 전위 및 전기화학적 안정성을 갖춘 산화/환원 매개체의 중요성을 조명한다. 최신 분석 기술과 이론적 접근을 통해 산화/환원 매개체의 기능 최적화 방안도 제시한다.

제1저자인 자야 연구원은 “이번 연구에서 황화 리튬 양극의 산화/환원 매개체 작동 메커니즘을 다양한 관점에서 분석하여 리튬-황 전고체 배터리의 고성능 전고체 전지 구현을 위한 설계 전략 및 방향성을 제시할 수 있었다.”라고 말했다.

이번 연구 결과는 차세대 리튬-황 전고체 배터리의 잠재력을 극대화할 수 있는 방향성을 제시함으로써, 에너지 저장 기술의 발전에 기여할 것으로 기대된다. 논문은 국제 학술지인 '저널 오브 에너지 케미스트리(Jounal Of Energy Chemistry)'(IF: 14.0) 2024년 12월 18일 자로 발표됐다.

[신아일보] 진주/김종윤 기자

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