희박 전해질 조건 하 리튬 폴리설파이드 국부화 해결이 열쇠
본 연구팀은 차세대 리튬-황 전지의 상용화 난제 중 하나인 ‘희박 전해질(Lean Electrolyte)’ 조건에서의 급격한 수명 저하 원인을 규명하고, 이를 해결하기 위한 새로운 전해질 설계 기술을 개발했다.
리튬-황 전지는 높은 이론 에너지 밀도를 가져 차세대 이차전지의 핵심 기술로 꼽히지만, 전해질 양을 최소화한 희박 전해질 환경에서 구동할 경우 수명이 급격히 줄어드는 한계가 있었다. 그동안 이러한 열화의 근본 원인이 명확히 밝혀지지 않아 개선에 어려움이 있었으나, 연구팀은 이번 연구를 통해 구동 중 생성된 ‘리튬 폴리설파이드’가 마이크로미터 규모로 국부적으로 뭉치는 현상이 수명 단축의 핵심 요인임을 밝혀냈다.
분석 결과, 국부화된 리튬 폴리설파이드는 주변 영역의 리튬 염 분포 부족을 야기하여 음극 계면을 불안정하게 만들고, 결과적으로 리튬의 불균일한 성장을 유도하는 것으로 확인되었다.
이에 연구팀은 폴리설파이드의 국부화를 억제할 수 있는 기능성 리튬 염을 첨가한 새로운 전해질 시스템을 설계했다. 이 접근법은 내부의 리튬 폴리설파이드 분포를 균일하게 유지함으로써 음극 전착 거동과 계면 특성을 획기적으로 개선했다. 그 결과 배터리의 가역성이 향상되었으며, 기존 시스템 대비 약 3배 향상된 수명을 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 고에너지 밀도 전지의 수명 저하 메커니즘을 명확히 하고 실질적인 해결책을 제시함으로써, 리튬-황 전지의 실용화를 앞당길 중요한 성과로 평가된다.
논문: “Localization of micron-scale lithium polysulfide-rich phases causes anode heterogeneity in lean-electrolyte lithium-sulfur batteries”, Submitted
