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리튬·황 전지는 기존 리튬·이온 배터리에 비해 생산 단가가 낮으면서도 5배 높은 용량을 구현할 수 있어 차세대 이차전지로 꼽힌다. 다만 고에너지 밀도를 위해 사용되는 두꺼운 전극에서 황의 불균일한 충·방전 반응이 나타나는 점이 상용화의 걸림돌로 지적된다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 ‘야누스’ 구조의 전극을 제시했다. ‘야누스’ 전극은 로마 신화에서 앞뒤 두 얼굴을 가진 야누스 신의 이름을 딴 것이다. 리튬 이온의 확산을 촉진하는 층과 황의 충·방전 반응을 촉진하는 층이 접합된 구조다. 야누스 전극의 독특한 구조는 두꺼운 필름에서도 리튬 이온이 고르게 확산할 수 있도록 해준다. 필름 전체에서 충·방전 속도를 균일하게 유지, 전지 용량을 극대화할 수 있는 것이다.
연구팀은 야누스 구조의 양극재를 적용한 리튬·황 전지로 최대 12mAh/cm²의 용량을 달성하는 데 성공했다. 이는 기존 리튬·이온 전지 대비 약 3배에 해당하는 수준이다.
문준혁 교수는 “이번 연구는 고에너지 밀도 리튬·황 전지에서 양극의 한계를 극복할 수 있는 이질적 전극 구조를 제시했다는 데 큰 의의가 있다”며 “이 기술이 리튬·황 전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 했다.
