유승호 교수, 저극성 전해질로 고성능 리튬-황 전지 구현
차세대 도심 항공 모빌리티(UAM)용 배터리 개발의 길 연다
고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 중국 칭화대학교 연구팀과 공동으로 저극성 용매인 다이에틸 에테르(Diethyl ether, 이하 DEE)를 활용한 새로운 전해질을 개발해 고성능 리튬-황 전지 상용화를 위한 핵심 기술을 제시했다.
본 연구 성과는 에너지 화학 분야의 국제 학술지 Journal of Energy Chemistry (IF=14.9) 온라인판에 11월 4일 게재됐다.
논문명: Low-polarity solvent-mediated lithium metal stabilization for improved performance in lithium-sulfur batteries
DOI: 10.1016/j.jechem.2025.10.041
URL: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.10.041
리튬-황 전지는 가볍고 에너지 저장 용량이 커 도심 항공 모빌리티(UAM)에 적용 가능한 차세대 전지로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 생성되는 다황화물이 전해질에 용해돼 이동하는 셔틀 현상으로 인해 성능이 저하되고, 리튬 금속 음극의 불안정성으로 수명이 짧아지는 문제가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 배터리 내부 물질이 불필요하게 이동하거나 부반응을 일으키지 않도록 전해질 조성을 새롭게 설계했다. 특히 문제를 일으키는 다황화물과의 상호작용이 약한 저극성 용매 DEE를 도입하고, 저극성 용매의 낮은 용해성으로 인한 용량 저하를 보완하기 위해 다이메톡시에테인(Dimethoxyethane, 이하 DME)을 적절히 혼합해 고성능 전해질을 개발했다.
개발된 DEE/DME 전해질은 리튬 금속 표면에 불필요한 고체 부산물이 축적되는 것을 억제하고, 다황화물이 보다 안정적으로 존재하도록 유도해 셔틀 현상을 크게 줄였다. 또한 황의 전환 반응이 원활하게 일어나도록 해 높은 방전 용량과 우수한 전지 성능을 달성했다. 연구팀은 이를 통해 전해질 내에서 일어나는 분자 간 상호작용을 규명했으며, 새롭게 설계한 전해질이 리튬 금속 표면에 안정적인 보호막을 형성한다는 점도 확인했다.
유승호 교수는 “이번 연구는 전해질 설계에서 용매 선택의 핵심 원리를 규명한 것으로, 리튬-황 전지의 안정성 향상에 중요한 기반을 마련했다”며 “이번 성과가 UAM과 같은 고에너지 밀도 응용 분야에서 리튬-황 전지의 실질적인 상용화로 나아가는 계기가 될 것”이라고 말했다.
본 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구, 국가전략기술소재개발사업(나노소재기술개발), 그리고 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행됐다.
Professor Seung Ho Yu Develops a High-Performance Lithium-Sulfur Battery Using a Low-Polarity Electrolyte
Opening a Path toward Next-Generation Urban Air Mobility (UAM) Battery Applications
A research team led by Professor Seung Ho Yu in the Department of Chemical and Biological Engineering at Korea University (President Kim Dong-One), in collaboration with a research team at Tsinghua University, developed a new electrolyte based on the low-polarity solvent diethyl ether (DEE) and presented a key technology for the commercialization of high-performance lithium-sulfur batteries.
This work was published online on November 4 in Journal of Energy Chemistry (IF=14.9), an international journal in the field of energy chemistry.
Title: Low-polarity solvent-mediated lithium metal stabilization for improved performance in lithium-sulfur batteries
DOI: 10.1016/j.jechem.2025.10.041
URL: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.10.041
Lithium-sulfur batteries are considered promising next-generation energy-storage systems for applications such as urban air mobility (UAM) because of their light weight and high energy-storage capacity. However, their practical use has been limited by the polysulfide shuttle effect, in which polysulfides generated during charge and discharge dissolve into the electrolyte and migrate within the cell, as well as by the instability of the lithium-metal anode, both of which shorten battery lifetime and reduce performance.
To address these issues, the research team redesigned the electrolyte composition to suppress unnecessary species migration and side reactions inside the battery. In particular, they introduced the low-polarity solvent DEE, which interacts only weakly with problematic polysulfides, and blended it appropriately with dimethoxyethane (DME) to compensate for the limited solubility associated with low-polarity solvents, thereby developing a high-performance electrolyte.
The resulting DEE/DME electrolyte suppressed the accumulation of undesirable solid byproducts on the lithium-metal surface and helped stabilize polysulfides, significantly reducing the shuttle effect. It also facilitated sulfur conversion reactions, leading to high discharge capacity and excellent battery performance. Through this work, the researchers elucidated the intermolecular interactions occurring within the electrolyte and confirmed that the newly designed electrolyte forms a stable protective layer on the lithium-metal surface.
Professor Seung Ho Yu stated, “This study clarifies the key principles governing solvent selection in electrolyte design and provides an important foundation for improving the stability of lithium-sulfur batteries,” adding, “We expect this achievement to serve as a stepping stone toward the practical commercialization of lithium-sulfur batteries in high-energy-density applications such as UAM.”
This work was supported by the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea through the Basic Research Program, the National Strategic Technology Materials Development Program (Nanomaterials Technology Development), and the National Research Council of Science & Technology.
