유승호 교수, 오페란도 광학 현미경으로 리튬-황 전지 반응 실시간 규명
고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 오페란도 광학 현미경을 활용해 리튬-황 전지 내부 반응을 실시간으로 관찰하고, 질산리튬 첨가제가 전지 내 계면 전반에서 수행하는 역할을 다각도로 규명했다.
본 연구 성과는 재료·에너지 분야의 국제 학술지 InfoMat (IF=22.3) 온라인판에 9월 7일 게재됐다.
논문명 : Comprehensive elucidation of the multifunctional role of lithium nitrate in lithium-sulfur batteries: expanding beyond shuttle suppression
DOI : 10.1002/inf2.70071
URL : https://doi.org/10.1002/inf2.70071
리튬-황 전지는 저비용·저독성이면서도 높은 에너지 저장 용량을 갖는 차세대 배터리로 주목받고 있다. 그러나 활물질의 낮은 전기전도도, 다황화물의 셔틀 현상, 리튬 금속 음극의 불안정성 등으로 인해 실제 활용에는 한계가 있었다. 또한 활물질의 반복적인 용해와 석출로 인해 배터리 내부 반응을 직접 확인하기 어려워, 반응 메커니즘에 대한 직관적인 이해도 충분하지 않았다.
*활물질: 전지를 충·방전할 때 직접 반응해 에너지를 저장·방출하는 물질
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 리튬-황 전지 내부를 실시간으로 관찰할 수 있는 오페란도 광학 현미경 시스템을 개발했다. 이를 통해 충·방전 과정에서 리튬 금속이 전극에서 용해되고 다시 전착되는 과정, 다황화물이 용해·확산되는 과정, 그리고 황이 결정으로 석출돼 재분포하는 과정을 직접 관찰했다. 나아가 촬영 영상을 정량적으로 분석해 그동안 명확히 설명하기 어려웠던 배터리 내부 반응을 구체적으로 밝혀냈다.
특히 연구팀은 질산리튬(LiNO3) 첨가제의 유무에 따라 전지 계면에서 일어나는 반응이 달라진다는 점을 확인했다. 질산리튬이 존재할 경우 ▲리튬 금속의 불규칙한 탈락 억제 ▲다황화물 이동 완화 ▲황 결정화의 균일성 향상 등 다양한 안정화 효과가 나타났으며, 이를 통해 배터리의 수명과 안정성이 크게 향상될 수 있음을 입증했다.
유승호 교수는 “이번 연구는 리튬-황 전지 내 전극-전해질 반응을 실시간으로 관찰했다는 점에서 의미가 크다”며 “전해질 성분에 따른 변화를 직접 확인함으로써 성능 최적화 전략 마련에 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 이어 “이번 기법은 다른 전지 시스템에도 적용 가능해 고성능 배터리의 상용화를 앞당기는 데 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다.
본 연구는 LG에너지솔루션과의 협업으로 진행됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구 및 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행됐다.
Professor Seung Ho Yu Real-Time Elucidates Lithium–Sulfur Battery Reactions Using Operando Optical Microscopy
A research team led by Professor Seung Ho Yu in the Department of Chemical and Biological Engineering at Korea University (President Kim Dong-One) used operando optical microscopy to observe internal reactions in lithium–sulfur batteries in real time and comprehensively elucidated the roles played by lithium nitrate additives across battery interfaces.
This work was published online on September 7 in InfoMat (IF=22.3), an international journal in the fields of materials and energy.
Title: Comprehensive elucidation of the multifunctional role of lithium nitrate in lithium-sulfur batteries: expanding beyond shuttle suppression
DOI: 10.1002/inf2.70071
URL: https://doi.org/10.1002/inf2.70071
Lithium–sulfur batteries have attracted considerable attention as next-generation batteries because they offer low cost, low toxicity, and high energy-storage capacity. However, their practical application has been limited by several issues, including the low electrical conductivity of active materials, the polysulfide shuttle effect, and the instability of lithium-metal anodes. In addition, the repeated dissolution and precipitation of active materials have made it difficult to directly observe internal battery reactions, resulting in an incomplete intuitive understanding of the underlying reaction mechanisms.
*Active material: a material that directly participates in charge and discharge reactions to store and release energy.
To address these challenges, the research team developed an operando optical microscopy system capable of monitoring the internal behavior of lithium–sulfur batteries in real time. Using this platform, they directly observed the dissolution of lithium metal from the electrode and its subsequent redeposition, the dissolution and diffusion of polysulfides, and the precipitation and redistribution of sulfur as crystalline phases during charge and discharge. Furthermore, by quantitatively analyzing the recorded images, they were able to clarify battery-internal reactions that had previously been difficult to explain clearly.
In particular, the team found that interfacial reactions in the battery varied depending on the presence or absence of the lithium nitrate (LiNO3) additive. When lithium nitrate was present, a range of stabilizing effects was observed, including suppression of irregular lithium-metal stripping, mitigation of polysulfide migration, and improved uniformity of sulfur crystallization. These effects were shown to significantly enhance battery lifetime and stability.
Professor Seung Ho Yu said, “This study is significant in that it enables real-time observation of electrode–electrolyte reactions inside lithium–sulfur batteries,” adding, “By directly identifying changes caused by electrolyte components, it will help establish strategies for performance optimization.” He further stated, “Because this technique can also be applied to other battery systems, it is expected to play an important role in accelerating the commercialization of high-performance batteries.”
This work was carried out in collaboration with LG Energy Solution and was supported by the Ministry of Science and ICT, the National Research Foundation of Korea through the Basic Research Program, and the National Research Council of Science & Technology.
