펜실베이니아 주립대학(The Pennsylvania State University)의 연구진은 더 효율적이고 저렴하며 안전한 새로운 유형의 리튬 황 배터리를 개발했다. 이번 연구진은 코인 배터리(coin battery)를 만들어서 이 방법을 증명했다. 이 배터리는 휴대전화, 무인 항공기, 전기 자동차에 적용될 수 있을 것이다.
리튬 황 배터리는 차세대 충전 배터리로 유망하지만, 몇 가지 문제점이 존재한다. 리튬의 경우에, 전하 이동 효율이 낮고, 방전/충전 시에 덴드라이트(dendrites)가 성장하는 경향이 있다.
이번 연구진은 무기물 리튬 염을 가진 오르가노설파이드(organosulfide)와 오르가노폴리설파이드(organopolysulfide)로 고체-전해질 간기 층(interphase layer)을 만들었다. 유기 황 화합물은 간기 층에서 가소제로서 작용하고 층의 기계적 유연성과 인성을 향상시킨다. 또한 간기 층은 덴드라이트를 성장시키지 않으면서 리튬이 증착되게 한다. 쿨롬 효율은 400회 충전/방전 사이클 동안에 약 99%이었다.
황은 저렴하고 높은 충전 용량과 높은 에너지 밀도를 가지기 때문에 리튬 황 배터리가 더 많은 에너지를 함유할 수 있게 한다. 그러나 리튬 황 배터리는 배터리 속에 무기물 코팅이 형성되는데, 이것은 쉽게 부서져서 부피 변화를 견딜 수 없다. 또한 무기물 황 계면은 높은 에너지를 지속적으로 유지할 수 없다.
이번에 개발된 하이브리드 오르가노설파이드/오르가노폴리설파이드 계면은 리튬 황 배터리가 기존의 DC 배터리보다 2 배 더 높은 에너지 밀도를 가지게 하고 1,000 사이클의 긴 사이클 수명과 우수한 용량 유지 능력을 가질 수 있게 한다.
이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Organosulfide-plasticized solid-electrolyte interphase layer enables stable lithium metal anodes for long-cycle lithium-sulfur batteries” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/s41467-017-00974-x).
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