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전기차, 신재생에너지 저장 등은 기존 전지보다 용량이 큰 중·대형 전지가 필수적이다. 리튬황전지는 현재 널리 쓰이는 리튬이온전지보다 이론적으로 에너지 저장 능력이 5배 가량 높다. 또 황은 자원이 풍부하고 가격이 저렴해 더욱 관심을 받고 있다.
하지만 황은 전기전도성이 낮고 전해액으로 녹아들면서 전지의 심각한 성능저하 및 수명 손실을 가져오기 때문에 리튬황전지의 상용화에 앞선 기술적 한계가 있다.
분무 동결(Spray Frozen·SF) 합성법은 나노입자를 스프레이처럼 뿌리고 동결 건조시키는 방법이다. 이를 통해 다공성 그래핀에 막대모양 황 입자가 다량 결합돼 밤송이 같은 형태를 가진다. 이 방법으로 황을 고르게 분포시킬 수 있고 입자 형태와 다공성 구조를 동시에 제어할 수 있다.
개발된 SF 합성법은 거의 모든 나노소재를 ‘마이크로 볼’ 형태로 결합할 수 있다. 또 입자 크기, 밀도, 개방형 다공성의 내부 구조까지 제어할 수 있다. 분무 방식이므로 대량 합성과 대면적화도 가능하고 물을 용매를 사용하므로 친환경적이다.
박호석 교수는 “이 연구에서 고안한 분무 동결 합성법은 다양한 나노소재의 복합체 구성과 개방형 다공성 구조의 제어에 응용될 수 있다”라며 “이 합성법의 우수성을 보여주기 위해 개발한 리튬황전지용 양극 소재는 높은 에너지용량이 요구되는 차세대 전자기기, 전기차 등에 활용될 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업과 한국철도기술연구원 주요사업의 지원으로 수행됐다. 나노과학기술 분야 저명 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 3월 14일 공개됐고 표지논문으로 선정됐다.