미국 메릴랜드 대학(University of Maryland), 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology), 국립 브룩헤이븐 연구소(Brookhaven National Laboratory)의 연구진은 리튬-황 배터리를 위한 새로운 황 음극 물질을 개발했다. 이 연구로 리튬-황 배터리는 더 높은 안정성과 에너지 밀도를 가질 수 있게 되었다.

저렴하고 지속 가능한 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라 에너지 밀도가 높은 배터리의 지속적인 개발이 매우 필요하게 되었다. 리튬-황 배터리는 높은 에너지 밀도, 저렴한 비용, 소재의 풍부성, 비독성, 지속 가능성 때문에 많은 과학자들로부터 관심을 끌고 있다. 그러나 리튬-황 배터리는 황의 낮은 전도성과 전해질 속의 리튬 폴리설파이드(lithium polysulfide) 중간체의 용해 때문에 사이클 수명이 짧고 낮은 에너지 밀도를 가진다.

그래핀, 탄소 나노튜브, 다공성 탄소, 흑연 등과 같은 수많은 전도성 물질들이 폴리설파이드의 용해를 방지하고 황 음극의 전기 전도성을 증가시키는데 사용되었다. 이번 연구는 폴리설파이드의 형성을 피하기 위해서 높은 황 함량을 가진 전도성 탄소 기질 속에 나노크기의 황을 캡슐화했다.

황을 안정화시키기 위해서 황과 산소/탄소 간의 화학적 결합을 사용했다. 화학적 결합은 진공 유리 튜브에서 순수한 황을 기화시키고 산소가 풍부한 유기 화합물을 탄화시키는 고온 처리를 통해 형성되었다. 최종적으로 높은 황 함량을 가진 황/탄소 복합체가 형성되었다.

주사 전자 현미경, 투과 전자 현미경, X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy), 쌍 분포 함수(pair distribution function)를 사용해서 전극의 반응 메커니즘을 알 수 있었다.

황/탄소 복합체의 경우에, 안정화된 황은 60%의 황 함량으로 탄소 속에 균일하게 분포되었다. 고체 전해질 간기(interphase)의 형성은 탄소 기질 속의 황을 완벽하게 밀봉하는데, 이것은 전해질 조건 하에서 우수한 전기 화학적 성능을 가지게 했다.

전기 자동차는 배터리의 화재 및 폭발 사고로 배터리 안전성이 항상 중요한 관심사였다. 리튬-황 배터리는 상용 리튬-이온 배터리에 비해서 5 배 이상의 용량을 가지고 있기 때문에 전기 자동차에 매우 유망하다. 또한 리튬-황 배터리는 가정용 및 포켓용 전자 제품, 대규모 에너지 저장 장치 등에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 향후에 많은 연구가 이루어져서 리튬-황 배터리가 빠른 시간 내에 상용화가 될 수 있기를 기대해본다.