촉매의 전자구조 조절해 리튬-황 전지 성능 향상 성공
전기차 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있는 기술이 개발됐다.
포스텍(포항공대) 화학공학과·친환경소재대학원 배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 통합과정 지준혁 씨 연구팀은 배터리 안에 들어가는 촉매의 전자구조를 조절해 차세대 배터리로 주목받고 있는 리튬-황 전지 성능을 높이는 기술 개발에 성공했다.
연구 결과는 재료과학 분야 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈'에 게재됐다.
리튬-황 전지는 상용화된 리튬이온전지보다 훨씬 많은 에너지를 저장할 수 있어, 전기차와 대용량 에너지저장장치를 이끌 차세대 주자로 꼽혀왔다.
하지만 충방전을 반복하는 동안 만들어지는 중간물질인 '리튬 폴리설파이드'를 해결해야 하는 문제가 있어 상용화가 어려웠다.
이 물질은 전해액 속을 둥둥 떠다니며 일정한 방향이 아닌 양극과 음극 사이를 제멋대로 오가는 '셔틀 효과' 현상을 유발한다.
이 때문에 전기를 만드는데 써야 할 활성 물질이 새어나가고, 배터리 수명도 빠르게 줄어들게 된다. 또 황은 전기가 잘 안 통해 반응 속도 역시 제 속도를 내지 못한다.
연구팀은 촉매 '전자 구조'에서 셔틀을 노선 안에 얌전히 붙잡아 둘 방법을 찾기 위해 기존 이황화몰리브덴(MoS₂) 촉매에서 몰리브덴 일부를 코발트(Co)와 철(Fe)로 동시에 바꿔 넣는 '공동 도핑' 방식을 찾아냈다.
이 방식을 적용하자, 촉매 내부 전자 분포가 재배열되면서 리튬 폴리설파이드와 촉매가 서로 붙잡는 힘이 균형감 있게 생성됐다. 이들 물질은 서로가 너무 세게 붙잡으면 반응이 굼떠지고, 너무 약하면 셔틀 효과가 나타나게 돼 균형점이 무엇보다 중요하다는 게 연구팀의 설명이다.
결과는 기대 이상으로 나타났다.
연구팀이 만든 촉매를 적용한 리튬-황 전지는 고속 충방전 조건에서 2천번 충방전을 거치는 동안 사이클당 용량 감소율이 0.024%에 그쳤다. 특히 높은 황 함량과 적은 전해액 등 실제 배터리와 비슷한 조건에서도 우수한 성능을 유지하며 상용화 가능성을 높였다.
김원배 교수는 "촉매의 전자 구조를 원자 수준에서 정밀하게 설계하면 배터리 충방전 성능과 수명을 동시에 끌어올릴 수 있다는 것을 증명했다"며 "고성능 리튬-황 전지를 위한 새로운 촉매 설계 기준을 제시한 만큼 차세대 에너지저장 장치의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것"이라고 했다.
