고려대, '야누스 구조'를 가진 고밀도 리튬-황 전지 개발 

▲ 리튬-황 전지용 고성능 후막 전극(thick electrode)으로서 야누스 구조 필름의 개념도. 야누스 구조에서 리튬 이온의 전극내 균일한 확산과 안정적 충·방전 반응이 진행된다. 

고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 문준혁 교수팀이 에너지 밀도를 대폭 향상하는 야누스 구조의 리튬-황 전지를 개발했다. 

본 연구 결과는 에너지 분야에서 국제적으로 저명한 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’(인용지수: 32.4)에 9월 26일 게재됐다. 또한 해당 논문은 표지 논문(Front Cover)로 선정되어 출판 예정이다. 

* 논문명: Janus Architecture Host Electrode for Mitigating Lithium-Ion Polarization in High-Energy-Density Li-S Full Cells

* 논문 DOI 링크: https://doi.org/10.1039/D4EE02297A

* 문준혁 교수 홈페이지: http://moonlab.korea.ac.kr

리튬-황 전지는 양극에 황/탄소 복합 필름을 사용하는 차세대 이차전지로서, 기존 리튬-이온 전지에 비해 생산 단가가 낮으면서도 이론적으로 약 5배 높은 용량을 구현할 수 있는 잠재력으로 주목받고 있다. 그러나 고에너지 밀도를 위해 사용되는 두꺼운 전극(후막 전극, thick electrode)에서 황의 불균일한 충·방전 반응이 나타나는 한계가 있다. 

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 '야누스' 구조의 전극을 제시했다. '야누스' 전극은 로마 신화에서 앞뒤 두 얼굴을 가진 야누스 신의 이름을 딴 것으로, 리튬 이온의 확산을 촉진하는 층과 황의 충·방전 반응을 촉진하는 층이 접합된 형태로 구성된다. 야누스 전극의 독특한 구조는 두꺼운 필름에서도 리튬 이온이 고르게 확산할 수 있도록 하며, 필름 전체에서 충·방전 속도를 균일하게 하여 전지의 용량을 극대화한다. 

야누스 구조 양극을 적용한 리튬-황 전지는 최대 12mAh/cm²의 양극 용량을 달성하는 데 성공했으며, 이는 기존 리튬-이온 전지 대비 약 3배에 해당하는 높은 수준이다.

교신저자인 문준혁 교수는 “이번 연구는 고에너지 밀도 리튬-황 전지에서 양극의 한계를 극복할 수 있는 이질적 전극 구조를 제시했다는 데 큰 의의가 있다”며 “이 기술이 리튬-황 전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 전했다.

본 연구는 삼성미래기술육성사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었다. 

[첨부] 

[그림 1 설명] 야누스 구조 양극의 윗면(좌측)은 탄소나노튜브 필름으로 구성되어 있고, 아랫면(우측)은 몰리브덴 카바이드 촉매가 코팅된 필름으로 이루어져 있다.

[그림 2 설명] 야누스 전극 완전셀(full cell)에서 고에너지 밀도 구현 결과