식물·환경신소재공학과 이정태 교수, 기계공학과 김두호 교수가 이끈 공동연구진이 리튬-황 배터리의 성능을 높이는 새로운 방법을 개발했다. 사진 왼쪽부터 김두호 교수, 민우식 학생, 이정태 교수, 홍태화 학생.

식물·환경신소재공학과 이정태 교수, 기계공학과 김두호 교수 공동연구 진행
서로 다른 연구 방법으로 차별성 확보, 에너지 효율과 배터리 용량 모두 늘어

식물·환경신소재공학과 이정태 교수, 기계공학과 김두호 교수 연구팀이 리튬-황 배터리의 상용화 실마리를 제시했다. 리튬-황 배터리는 용량이 현재 상용화된 리튬 이온 배터리 대비 두 배 이상 높아 차세대 전기 자동차용 배터리로 주목받고 있다. 하지만 리튬-황 배터리는 충·방전될 때 황이 리튬 설파이드로 환원되는 과정이 매우 느린 한편 에너지 효율이 낮고 수명이 짧다는 문제점이 있다.

리튬 설파이드 결정에 셀레늄과 텔루륨 도핑, 성능 개선 이뤄
문제 해결을 위해 연구팀은 새로운 방법으로 리튬-황 배터리 설계에 나섰다. 이 방법은 리튬 설파이드 결정에 셀레늄과 텔루륨을 도핑하는 것이다. 기존 리튬-황 배터리 연구와는 다르게 리튬 설파이드의 화학적 결합과 고체 상변화 과정에서 일어나는 상호작용에 집중해 의미 있는 결과를 도출했다.

리튬-황 배터리 연구는 대부분 고리 형태의 황 분자-리튬 폴리설파이드-리튬 설파이드로 이루어지는 산화 환원 과정의 전 영역에 집중돼있다. 민우식 학생(기계공학과 석사 1기)은 “충·방전의 고체 상변화 이전 과정에서 물질이 녹아버리며 에너지 손실이 발생한다”고 설명했다. 이정태 교수는 “고리 형태에서 물질이 녹아 많은 연구자가 고리 구조를 변화하기 위해 노력하고 있다. 하지만 이번 연구는 기존 연구 방식과는 전혀 다른 새로운 방식으로 문제에 접근했다”며 연구 의의를 설명했다.

연구팀은 리튬 설파이드 결정에 셀레늄과 텔루륨을 도핑해 리튬 설파이드 환원 과정을 촉진했다. 김두호 교수는 “셀레늄과 텔루륨 도핑으로 형성된 이온 반지름은 리튬 설파이드 결정 속 결합의 길이를 늘어나게 만들어 결합의 세기를 약하게 유도한다. 이에 따라 충전 및 방전 과정 중 리튬의 이탈과 흡착이 더 수월하게 일어나, 리튬 설파이드의 상변화 과정이 더 유연하게 일어난다”고 말했다. 성능적 개선도 있었다. 셀레늄과 텔루륨 도핑 이전과 전압을 비교해봤을 때 연구진이 개발한 배터리가 1.05배 더 높은 전압을 기록했다. 용량 역시 도핑 후 1.2배 늘어났다.

리툼과 칼코젠 원소 결합의 화학적 경도와 고체상 전이 반응속도 특징을 통합한 상호작용 개략도

고에너지 밀도의 리튬-황 배터리 설계 가능성 제시
이번 연구 결과는 리튬-황 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 발단을 제시했다. 특히, 이번 연구에서 제안한 전략은 고에너지 밀도의 리튬-황 배터리 설계 가능성을 제시해 의미가 크다. 원자 수준에서 양극 소재 구조 변화와 특성 강화를 이끄는 전략은 리튬-황 배터리의 성능을 높이는 한편 비용을 절감하는 데 중요한 역할을 한다. 홍태화 학생(식물·환경신소재공학과 석사 1기)은 “리튬과 소듐 이차전지에서는 상변화 관점에서 진행된 연구가 많이 보고됐지만 리튬-황 배터리에서는 선행연구가 활발하지 않았다. 내부 소재의 재구성을 통해 특성을 바꾼다는 전략을 제시하는 한편 앞으로도 고에너지 밀도의 배터리를 설계할 가능성까지 제시했다”고 강조했다.

연구 결과는 세계적인 학술지 <Advanced Energy Materials>(IF=29.698)에 5월 18일 게재됐다. 이정태 교수는 “연구를 진행한 모든 구성원이 경희대 출신이어서 개인적으로 더 뜻깊은 성과”라며 “양 연구실 간 학생 교류가 활발히 일어나 새로운 아이디어가 계속 제안되고 있어 앞으로도 기대가 크다”고 말했다.

이정태 교수의 얘기처럼 좋은 성과를 이루기까지 공동연구의 역할이 컸다. 김두호 교수 연구실은 계산 과학적 방법으로 주제에 접근한다. 반면 이정태 교수 연구실은 실험을 통해 주제에 접근한다. 같은 주제를 서로 다른 연구 방법으로 접근해 결과를 도출했다. 이를 통해 연구의 특이성과 차별성을 확보할 수 있었다. 민우식 학생은 “계산 과학을 위주로 연구해 실험에 대한 부분은 낯선 면이 많았다. 공동연구를 통해 서로 물어보며 연구하니 성장하고 있다는 것을 체감할 수 있었다”고 말했다. 홍태화 학생은 “실험에 들어가기 전 계산 과학으로 도출한 결과가 실제로 입증될지 의문이 있었다. 하지만 실험 결과 계산과 일치하는 결과를 얻었을 때 놀라움이 컸다”고 회상했다.

연구진은 리튬-황 배터리 상용화를 위한 후속 연구를 계획하고 있다. 개발한 전략을 활용해 배터리 구조에 제한을 두거나, 인공지능을 활용해 배터리 성능을 예측하려 한다. 이정태 교수는 “이번 연구는 리튬-황 배터리의 가능성을 확인한 결과”라고 평했다. 김두호 교수는 “사전 연구가 축적된 만큼 이를 활용해 차세대 전지 상용화를 위해 노력할 것”이라고 말했다.

연구진은 리튬-황 배터리 상용화를 위한 후속 연구를 계획하고 있다. 인공지능을 활용한 배터리 성능 예측, 개발 전략에 기초한 배터리 구조 제한 등 다양한 연구를 통해 차세대 전지 상용화에 매진하겠다는 뜻을 밝혔다.

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이정태 교수 연구자
김두호 교수 연구자

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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