포스텍, 리튬-황 배터리 약점 해결할 신소재 개발

POSTECH(포항공과대학교)에서 새어 나가는 에너지를 막는 ‘마개’ 촉매를 개발했다.

POSTECH 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 조창신 교수 연구, 화학공학과 통합과정 박관현 씨, 산디아 라니 망기셰티 박사 연구팀이 주석 금속-카본 복합 촉매를 개발, 이를 리튬-황 전지 양극 촉매로 적용해 높은 에너지 저장 성능과 효율을 구현하는 데 성공했다. 

이번 연구 성과는 그 우수성을 인정받아 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 겉표지(front cover) 논문으로 현지 기준으로 지난 13일 게재됐다.

리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지보다 밀도가 높아 훨씬 많은 에너지를 담을 수 있어 ‘꿈의 배터리’로 불린다. 

하지만 충·방전 과정에서 황이 전해질 속으로 녹아 사라지는 ‘셔틀링 효과’ 때문에 전지의 성능과 수명을 동시에 떨어지는 치명적 문제가 있었다. 

마치 연료가 새는 자동차가 제 성능을 내지 못하는 것처럼. 이는 차세대 전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 주석 금속과 탄소를 결합한 새로운 촉매를 만들었다. 질소·붕소가 동시에 도핑된 그래핀 나노시트와 탄소 나노튜브를 합성해, 이를 주석 미세 입자와 결합시킨 ‘주석-카본 복합 촉매’다. 

이 촉매는 전자의 흐름을 원활하게 하고 반응이 잘 일어나는 표면을 제공해, 배터리 내부에서 황 성분이 안정적으로 반응할 수 있도록 돕는다.

그 결과, 전해질-촉매-도전재 간의 ‘3상 계면(three-phase interface)’이 효과적으로 구축되어, 용해성 폴리설파이드의 전환 반응과 리튬 설파이드(Li₂S) 증착 반응이 크게 개선됐다.

연구팀은 리튬 설파이드(Li₂S)가 형성되는 과정을 수학적으로 계산해 촉매의 성능을 정량적으로 평가했으며, 이를 실험 결과와 비교·분석함으로써 촉매 성능 판단을 위한 새로운 기준을 제시했다.

김원배 교수는 “이번 연구는 리튬-황 전지의 핵심 문제인 셔틀링 효과를 완화할 수 있는 새로운 촉매를 개발했을 뿐 아니라, 촉매 성능을 수학적으로 평가할 수 있는 방법까지 마련했다”며 “차세대 고용량 이차전지 상용화에 한 걸음 더 다가서는 성과”라고 말했다.

한편, 이 연구는 산업통상자원부 첨단산업특성화대학원지원(배터리)사업, 과학기술정보통신부 중견연구사업, 한국연구재단 선도연구센터사업의 지원으로 수행됐다.