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중국과학원 물리 연구소 산하 베이징(北京) 응집물질물리학 국가 연구 센터 소속 청정에너지 중점 실험실 연구팀이 공동연구를 통해 높은 전자-이온 전기 전도와 전기화학 활성을 동시에 보유한 일종 Chevrel 상(相) Mo6S8 분리 막 멀티 기능 코팅 층을 개발하고 리튬 황 소프트 패키징 배터리 연구에 응용하는데 성공함.

리튬 황 배터리(lithium-sulfur battery)는 황(S8)은 전형적인 음이온 원자가 변화의 전환 반응 양극 재료로서 이론 용량이 높다는 장점을 가지고 있어, 더욱 높은 이론 에너지 밀도, 더욱 낮은 원가와 친환경 등 우세를 보유하고 있으며 차세대 높은 비에너지(specific energy) 시스템의 이상적인 후보였으나, 전기 화학 반응의 중간 상태 산물인 다황화물 리튬(Polysulfide lithium)이 에테르류(ethers) 전해액에 용해되기 쉬우며 금속 리튬 음극에 왕복할 때 불가역적인 반응이 발생한다는 단점(셔틀 효과(Shuttle Effect))로 인해 리튬 황 배터리의 순환 수명이 제한되어 상용화가 어려웠음. 동시에 방전 과정에서 액체 상태의 다황화 리튬은 Li₂S 절연 층을 형성하여 양극 표면에 커버되어 전자와 이온의 전도에 영향을 끼치고 배터리의 방전 용량 비(rate capability)가 감소되는 문제가 있었음. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 효과적으로 다황화 리튬의 이동을 제어할 필요가 있는데, 동 신형 코팅 층은 성공적으로 Li₂S 절연 층의 형성을 억제하였고 전통적인 황 양극의 신속한 충전과 방전(25분에 100% 충전/방전)을 실현하였으며, 동 코팅 층은 다황화 리튬에 대해 매우 강한 흡착력을 보유하고 있기 때문에 성공적으로 다황화 리튬이 리튬 음극 측으로 왕복하는 것을 방지할 수 있으며, 공업 레벨의 고 부하 황 양극의 긴 수명 순환을 실현할 수 있는 것으로 나타났음. 더욱 중요한 점은 전통적인 비활성 코팅 층이 배터리 에너지 밀도를 감소시키는 상황과 달리 동 신형 코팅 층은 든든하게 다진 후의 황 양극과 매칭 할 수 있으며 에너지 밀도를 20%이상 향상시킬 수 있다는 점임.

해당 실험에서 나아가, 소프트 패키징 배터리 성능에 대한 측정 테스트를 통해 동 멀티 기능 코팅 층의 사용은 순환 수명을 1배 이상 향상시킬 수 있기 때문에 리튬 황 배터리 상용화가 가능해질 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Matter’ 지에 게재됨