국립 부경대학교

국립부경대 조계용 교수팀, 차세대 리튬-황 이차전지용 분리막 제시

- 국제학술지 <Composites Part B: Engineering> 게재

△ 연구팀 사진. 국립부경대 조계용 교수(가운데)와 (아래 왼쪽부터) 권영제, 김세훈, 최경민, 부산대 이진홍 교수(왼쪽 위)와 채성욱.

국립부경대학교 조계용 교수(공업화학전공) 연구팀은 차세대 이차전지로 꼽히는 리튬-황 배터리의 새로운 분리막을 개발했다고 밝혔다.

국립부경대 조계용 교수와 부산대 이진홍 교수(유기소재시스템공학전공) 등 공동연구팀은 리튬-황 배터리 상용화의 주요 걸림돌인 열화현상을 일으키는 셔틀효과(shuttle effect)를 극복하기 위해 금속유기골격체(MOF) 소재를 기반으로 한 제조 방법을 제시했다.

연구팀은 넓은 표면적을 지닌 다공성 물질 MOF 소재를 기반으로 분리막을 제조, 적용해 리튬-황 배터리의 충-방전 효율과 전극의 안정성을 높이는 연구 결과를 발표했다.

리튬-황 배터리는 높은 전기용량 구현이 가능해 차세대 이차전지로 크게 주목받고 있지만, 충-방전 시 셔틀효과로 리튬폴리황산사슬(Li2Sx)이 생성되며 영구적인 전극용량 감소와 배터리 수명 단축 등을 초래하는 문제가 있다.

이 같은 문제를 해결하기 위해 조 교수 연구팀은 MOF 소재 중 하나인 절연성 금속유기골격체(ZIF-8)를 이용한 기능화된 다기능성 MOF 소재(ZIF8A)와 그래핀 옥사이드(Graphene oxide)의 복합물인 ‘NZG’로 분리막을 제작해 셔틀효과를 극복하고 높은 전극용량을 유지하도록 했다.

그 결과 충-방전 시 발생하는 폴리황화물(Polysulfide)이 넓은 표면적에 과량의 아민(Amine)을 가지는 NZG 복합물에서 촉매 작용을 통한 빠른 산화-환원반응으로 빠른 충-방전 속도에서도 높은 전극용량을 유지하는 리튬-황 배터리를 제작할 수 있는 것으로 나타났다.

이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구 및 산업통상자원부의 지원을 받아 이루어졌으며, 재료·에너지 분야 국제학술지 <Composites PartB: engineering>(IF=13.1, JCR=0.6%)에 최근 게재됐다.

이번 연구 논문의 제1 저자인 김세훈 석사과정 학생은 “다기능성 MOF 소재의 개발 및 복합화 기술 그리고 이를 활용한 리튬-황 전지용 분리막 코팅기술을 개발해 종전에 분리막이 가지고 있던 문제점을 개선함으로써 차세대 배터리 종류에 하나인 리튬-황 전지의 상용화가 앞당겨질 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. <부경투데이>

△ 리튬-황 이차전지와 다기능성 금속유기골격체가 포함된 분리막 및 촉매작용 모식도.

Prof. Cho Kie-Yong's team at PKNU proposed a separator for next-generation Li-S secondary batteries

- paper in the international academic journal <Composites Part B: Engineering>

The research team led by professor Cho Kie-Yong at Pukyong National University (industrial chemistry) announced that they had developed a new separator for lithium-sulfur batteries, which are considered the next-generation secondary batteries.

A joint research team led by professor Cho Kie-Yong at Pukyong National University and professor Lee Jin-Hong (department of organic material science and engineering) at Pusan national university proposed a manufacturing method based on metal-organic framework (MOF) materials to overcome the shuttle effect that causes degradation, a major obstacle to commercialization of Li-S batteries.

The research team announced research results that improved the charging and discharging efficiency of Li-S batteries and the stability of electrodes by manufacturing and applying a separator based on a porous MOF material with a large surface area.

Li-S batteries are attracting great attention as next-generation secondary batteries because they can achieve high electric capacity, but they have the problem of permanently reducing electrode capacity and shortening battery life by generating lithium polysulfate chains (Li2Sx) due to the shuttle effect during charging and discharging.

The research team manufactured a separator using 'NZG', a composite of functionalized multifunctional MOF material (ZIF-8A) using zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8), one of the MOF materials, and graphene oxide, to overcome the shuttle effect and maintain high electrode capacity.

As a result, the research team created a Li-S battery that maintains high electrode capacity even at fast charging and discharging rates through an immediate oxidation-reduction reaction through catalytic action in the NZG complex, which has an excessive number of amines on a large surface area of polysulfide generated during charging and discharging.

The research was conducted with support from the National research foundation of Korea for young researcher program and the Ministry of trade, industry and energy, and was recently published in <Composites partB: engineering> (IF=13.1, JCR=0.6%), an international academic journal in materials and energy.

Kim Se-Hoon, a master's student and the first author of this research paper, said, "I expect that the commercialization of Li-S batteries, one of the next-generation battery types, can be accelerated by improving the problems of existing separators by developing multi-functional MOF materials and coating technology for Li-S batteries using composite technology." <Pukyong Today>