고려대, 셀레늄의 촉매 반응을 활용한 고성능 차세대 리튬 황 이차전지 개발

[캠퍼스人+스토리] 고성능 리튬 황 이차전지 개발
"이번 연구서 셀레늄 설파이드의 가능성 확인"

(왼쪽부터) 유승호 고려대 교수, 성영은 서울대 교수, 김지환 서울대 석박사통합과정, 김미현 고려대 석박사통합과정, 김성준 박사후연구원(현재 미국 Argonne National Laboratory 박사후 연구원). /고려대

고려대학교는 유승호 화공생명공학과 교수 연구팀이 소량의 셀레늄을 리튬 황 전지의 촉매로 활용해 고성능 리튬 황 이차전지를 개발했다고 10일 밝혔다.

연구팀에 따르면 리튬 황 전지는 기존 리튬 이온 전지보다 높은 에너지 효율을 보여 차세대 전지로 떠오르고 있다. 또 양극재로 사용되는 황은 가격이 저렴하고 가벼워 드론과 같은 무인기 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 그러나 황의 낮은 전도성은 고율 속 충·방전 과정에서 급격한 용량 저하를 보인다. 용량 저하는 배터리의 충전 용량, 즉 배터리가 저장할 수 있는 에너지의 양이 시간이 지남에 따라 감소하는 현상이다.

이를 대체하기 위해, 황보다 우수한 전도성을 가진 셀레늄 원소를 이차전지에 활용하는 추세다. 다만, 리튬 셀레늄 전지의 경우 황을 사용했을 때보다 전지의 용량이 낮고, 충·방전 과정 중에서 충전 속도가 지속적으로 낮아지는 단점을 갖는다.

연구팀은 셀레늄 설파이드(SeS2)를 활용해 문제를 해결했다. 셀레늄 설파이드는 셀레늄과 황 비율이 1:2로 결합한 물질이다. 황보다 전도성이 높고 안전성이 높다. 연구진은 엑스선(X-ray)으로 셀레늄 설파이드의 양극 표면을 분석해, 셀레늄 위로 황 결정이 달라붙어 촉매반응이 일어남을 확인했다.

셀레늄 설파이드 양극 내 셀레늄의 핵형성, 그 위 황 결정의 전착 및 성장 과정을 보여주는 실시간 엑스선 이미징 분석과 그에 대한 모식도 및 셀레늄과 황의 비율을 조절하여 확보한 고성능 리튬 황 전지. /고려대

이를 바탕으로 연구팀은 소량의 셀레늄을 리튬 황 전지에 삽입하여 작은 크기의 황 결정을 고르고 균일하게 성장하도록 유도했다. 이를 통해 높은 율속에도 충·방전 사이클이 안정적인 고성능 리튬 황 전지를 개발했다.

유승호 교수는 "리튬 황 전지 상용화를 위해 높은 율속에서도 안정적으로 충전 용량을 확보할 수 있는 양극재 개발이 시급하다"며 "이번 연구에서 셀레늄 설파이드의 가능성을 확인했다"고 말했다.

유 교수는 이어 "다양한 칼코겐 원소를 차세대 전지의 양극 물질로 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 지난 3일 국제적인 학술지 'Nature Communications'에 온라인 게재됐다.