염소를 넣어 전자 3개를 옮긴다 — 리튬-황 전지 에너지 밀도 높인 연구 결과

미국 밴더빌트대와 메릴랜드대 공동 연구진이 리튬-황 전지의 에너지 밀도를 끌어올릴 새로운 셀 화학을 Nature Energy에 실린 논문으로 공개했다. 기존 방식에서 황 원자 하나는 전자 두 개를 주고받는다. 연구진은 여기에 염소를 결합해 세 번째 전자까지 더 높은 전압에서 옮기게 했다. 실험실 시험에서 황의 저장 용량은 약 58% 늘었고, 평균 작동 전압은 약 2.05V에서 2.54V로 올라갔다. 용량과 전압이 함께 오른 결과 시험 셀에서 황 1kg이 1,700Wh가 넘는 에너지를 저장했다.

반응이 되돌아오게 만드는 것이 관건이었다. 연구진은 분자 시뮬레이션으로 전해질을 설계해, 염소는 반응성을 유지하되 반응으로 생긴 황-염소 생성물이 녹아나와 리튬 금속 음극으로 옮겨가지 않도록 막았다. 여러 분광 분석으로 충·방전 과정에서 황이 새로운 상태를 반복해서 거친다는 점을 확인했고, 제작한 파우치 셀은 100회 충전 뒤 초기 용량의 78%를 유지했다.

황은 값싸고 흔하며 무게당 저장할 수 있는 전하량이 크다는 점에서 오래전부터 리튬이온의 대안으로 꼽혀왔지만, 오래 쓸 수 있게 만드는 일이 어려웠다. 연구진은 전극만이 아니라 전지의 주요 구성 요소를 모두 포함해 계산할 때 셀 수준에서 477Wh/kg의 중량 에너지 밀도가 가능할 것으로 추정했다. 비슷한 조건의 기존 리튬-황 시스템보다 약 37% 높은 값이다. 다만 시제품이 리튬 금속 음극과 상대적으로 많은 전해질을 쓰는 만큼, 상용화 전까지 할 일이 많이 남아 있다. 논문의 공동 교신저자인 디언 지앙 밴더빌트대 화학공학·화학 교수는 "리튬-황 전지를 보던 기존 방식은 황의 산화·환원 용량 일부를 쓰지 않고 남겨둔다"고 말했다.

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