오페란도 광학 현미경 활용, 질산리튬 첨가제 효과 다각적 입증… InfoMat 게재
리튬-황 전지는 낮은 비용과 친환경성, 그리고 높은 에너지 저장 용량 덕분에 차세대 배터리로 주목받아 왔다. 그러나 활물질의 낮은 전도도와 다황화물의 셔틀 현상, 리튬 금속 음극의 불안정성 등 기술적 한계로 실제 상용화에는 난관이 많았다. 특히 충·방전 과정에서 활물질이 반복적으로 녹고 석출되는 현상은 배터리 내부의 반응 메커니즘을 직접 관찰하기 어렵게 만들어 연구자들의 이해를 가로막아 왔다.
고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀은 이러한 난제를 해결하기 위해 리튬-황 전지 내부 반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 오페란도 광학 현미경 시스템을 개발했다. 이를 통해 리튬 금속이 전극에서 용해·전착되는 과정, 다황화물이 확산되는 과정, 황이 결정으로 석출되는 과정을 직접 촬영하고 정량 분석하는 데 성공했다. 연구팀은 이 영상을 기반으로 지금까지 설명하기 까다로웠던 배터리 내부 반응을 구체적으로 규명했다.
연구의 또 다른 핵심은 첨가제 역할에 대한 규명이다. 연구팀은 질산리튬 첨가제의 유무에 따라 전지 계면에서 일어나는 반응이 달라지는 것을 확인했다. 질산리튬이 포함된 경우 리튬 금속의 불규칙한 탈락이 억제되고, 다황화물의 이동이 완화되며, 황 결정화가 균일하게 촉진되는 등 다양한 안정화 효과가 나타났다. 이는 결과적으로 전지의 수명과 안정성을 크게 향상시킬 수 있음을 입증한 성과다.
이번 연구는 재료·에너지 분야 권위 학술지 『InfoMat』(IF=22.3) 온라인판에 9월 7일 게재됐다. 논문 제목은 *“Comprehensive elucidation of the multifunctional role of lithium nitrate in lithium-sulfur batteries: expanding beyond shuttle suppression”*이다. 제1저자는 고려대 석·박사통합과정 이윤정 연구원이며, 유승호 교수가 교신저자로 참여했다.
유승호 교수는 “이번 연구는 리튬-황 전지의 전극-전해질 반응을 실시간으로 관찰했다는 점에서 의미가 크다”며, “전해질 성분에 따른 변화를 규명한 만큼 성능 최적화 전략 수립에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 그는 또 “이번 기법은 리튬-황 전지를 넘어 다른 차세대 배터리에도 적용 가능해 고성능 전지 상용화를 앞당기는 중요한 기반이 될 것”이라고 강조했다.
이번 연구는 LG에너지솔루션과의 공동 협업으로 진행됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구, 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행됐다. 산학·정부의 삼중 협력이 이뤄낸 성과로, 차세대 배터리 분야에서 한국 연구진의 국제 경쟁력을 보여주는 사례로 평가된다.
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