Research

[코발트·철 공동 도핑으로 촉매 전자구조 정밀 제어… 반응 속도·수명 동시 향상]

전기차 주행거리를 늘릴 차세대 배터리로 주목받는 리튬-황 전지 문제는 충전과 방전을 반복할수록 성능이 빠르게 떨어진다는 점이다. POSTECH 연구진이 배터리 안에 들어가는 촉매의 '전자 구조'를 정교하게 조절해, 리튬-황 전지의 반응 속도는 높이고 수명을 갉아먹던 고질적인 문제는 억제하는 기술을 개발했다. 

 POSTECH 화학공학과·친환경소재대학원 배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 통합과정 지준혁 씨 연구팀이 수행한 이번 연구 결과는 재료과학 분야 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 게재됐다.

 리튬-황 전지는 상용화된 리튬이온전지보다 훨씬 많은 에너지를 저장할 수 있어, 전기차와 대용량 에너지저장장치를 이끌어갈 차세대 주자로 꼽혀 왔다. 문제는 충방전을 반복하는 동안 만들어지는 중간물질인 '리튬 폴리설파이드(Li2S)’다. 이 물질이 전해액 속을 둥둥 떠다니며 양극과 음극 사이를 제멋대로 오가는 '셔틀 효과(Shuttle Effect)¹⁾' 현상이 발생하는데, 정해진 노선만 오가야 할 셔틀버스가 갑자기 아무 데나 들쑤시고 다니는 것과 같다. 그로 인해 전기를 만드는 데 써야 할 활성 물질이 새어나가고, 배터리 수명은 빠르게 줄었다. 게다가 황은 전기가 잘 안 통해 반응 속도가 느리다는 점도 상용화의 발목을 잡아 왔다.

 연구팀은 촉매 '전자 구조'에서 이 셔틀을 노선안에 얌전히 붙잡아 둘 방법을 찾았다. 기존 이황화몰리브덴(MoS₂) 촉매에서 몰리브덴 일부를 코발트(Co)와 철(Fe)로 동시에 바꿔 넣는 '공동 도핑' 방식을 적용한 것이다

 두 금속을 함께 넣자, 촉매 내부 전자 분포가 재배열되면서 리튬 폴리설파이드와 촉매가 서로 붙잡는 힘이 딱 적절한 상태가 만들어졌다. 너무 세게 붙잡으면 반응이 굼떠지고, 너무 약하게 붙잡으면 셔틀 효과를 막을 수 없는데, 그 균형점을 찾아낸 셈이다. 덕분에 황의 반응은 빨라지고, 전자와 리튬 이온이 원활하게 이동하면서 배터리 효율과 수명이 향상됐다. 

 결과는 기대 이상이었다. 연구팀이 만든 촉매를 적용한 리튬-황 전지는 고속 충방전 조건(10C²⁾)에서 2,000번 충방전을 거치는 동안 사이클당 용량 감소율이 0.024%에 그쳤다. 특히, 높은 황 함량과 적은 전해액 등 실제 배터리와 비슷한 조건에서도 우수한 성능을 유지해, 상용화 가능성도 확인했다.

 전기차 주행거리 경쟁이 한창인 요즘, '얼마나 멀리 가느냐'만큼이나 '얼마나 오래 쓸 수 있느냐'가 중요하다는 사실을 다시 한번 일깨워준다. 김원배 교수는 "촉매의 전자 구조를 원자 수준에서 정밀하게 설계하면 배터리 충방전 성능과 수명을 동시에 끌어올릴 수 있다는 것을 증명했다"라며, "고성능 리튬-황 전지를 위한 새로운 촉매 설계 기준을 제시한 만큼 차세대 에너지저장 장치의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것"이라고 전했다. 

 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 선도연구센터, 과학기술정보통신부 중견연구사업, 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업 지원으로 수행됐다.

▶️ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.73445

1. 셔틀 효과 (Shuttle effect) : 리튬-황 전지의 방전 과정에서 생성된 다황화물(Polysulfides)이 전해액에 녹아 양극과 음극 사이를 왕복하며 반응하는 현상. 이로 인해 활물질이 손실되고 전지 수명이 크게 저하된다.

2. C(C-rate): 충·방전 속도를 의미한다. 1C는 배터리를 60분 만에 완전히 충전하거나 방전하는 속도를 의미하며, 2C는 30분, 5C는 12분, 10C는 약 6분 만에 충전·방전하는 매우 빠른 속도를 말한다.