Research

[느린 황 반응 촉진하고 전극 보호막 만드는 니켈 단원자 촉매 개발]

전기차와 스마트폰이 쏟아지는 시대, 우리는 더 싸고 더 오래 가는 배터리를 애타게 기다린다. 그 유력한 해법으로 떠오른 ‘아연-황 전지’의 고질적인 문제를, 원자 하나짜리 촉매가 한꺼번에 풀어냈다.

 POSTECH 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 통합과정 지준혁 씨, 배터리공학과 통합과정 김동우 씨 연구팀이 최근 포항가속기연구소 연구진과의 공동 연구를 통해 물을 쓰지 않는 비수계 아연-황 전지에서 느린 황 반응을 촉진하는 니켈 단원자 촉매¹⁾를 개발했다. 이 촉매는 반응 속도를 높이는 동시에 전극을 보호하는 막까지 만들며 전지의 안정성을 크게 끌어올렸다. 이번 연구는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 최근 게재됐다.

 아연은 땅속에 풍부하게 묻혀 있는 데다 값도 저렴하고, 특히 저장 용량이 큰 '황'과 짝을 지으면 경제성과 성능을 동시에 잡을 수 있어 차세대 전지로 주목받고 있다. 하지만 아연-황 전지에는 골칫거리가 있었다. 지금까지 아연 전지는 대부분 물을 기반으로 한 전해질을 써왔는데, 충·방전을 반복하다 보면 물이 분해되며 가스가 생기거나, 아연이 전극 표면에 삐죽삐죽 뾰족하게 쌓이는 '덴드라이트(dendrite)'가 자라나는 등 부작용이 나타났다. 물 대신 유기용매를 쓰는 '비수계' 전해질이 대안으로 떠올랐지만, 무거운 아연 이온이 잘 움직이지 못하고 황이 다른 물질로 바뀌는 반응마저 느려지는 새로운 벽에 부딪혔다. 마치 도로 위 사고는 막았더니 이번엔 차들이 굼벵이처럼 기어가는 격이었다.

 연구팀이 찾아낸 열쇠는 '니켈 단원자 촉매(Ni-SAC)'다. 연구팀은 질소가 섞인 탄소 소재 위에 니켈 원자를 하나하나 흩뿌리듯 올렸다. 이렇게 떨어져 있는 니켈은 주변 질소와 손을 잡고 특별한 구조(Ni-N₄)를 이루는데, 이 구조가 황이 반응할 때 넘어야 할 에너지 문턱을 낮춰 굼떴던 황 반응에 속도를 붙였다.

 놀라운 점은 이 촉매가 '두 가지 일'을 동시에 해낸다는 것이다. 니켈 단원자 촉매는 반응만 빠르게 만든 게 아니라, 전극과 전해질 사이에 불화아연(ZnF₂)이 풍부한 튼튼한 보호막(양극-전해질 계면층²⁾)이 생기도록 했다. 덕분에 쓸데없는 부반응은 줄고 아연 이온은 한결 매끄럽게 오갔다. 원자 하나짜리 촉매가 반응을 재촉하는 '촉진제'이면서 전극을 지키는 '방패 제작자'도 해낸 셈이다.

 그 결과, 니켈 단원자 촉매를 넣은 아연-황 전지는 400번을 충전하고 방전하는 혹독한 반복 시험에서도 촉매를 쓰지 않은 전지보다 훨씬 안정적인 성능을 보였다. 비수계 전해질의 안정성은 지키면서 느린 황 반응까지 잡아내는 새로운 아연-황 전지 설계 전략을 제시한 것이다.

 김원배 교수는 "이번 연구는 비수계 전해질로 아연 전극의 안정성을 높이는 동시에, 원자 하나 수준의 니켈 촉매로 느린 황 반응까지 개선한 것"이라며 "촉매가 반응 속도를 높이는 데 그치지 않고 안정적인 전극 보호막 형성까지 이끈다는 점에서, 고성능 비수계 아연 기반 배터리 설계에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대한다"라고 전했다. 

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

▶️ DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.77575

1. 단원자 촉매(Single-atom catalyst, SAC) : 금속 원자가 입자나 덩어리를 이루지 않고 지지체 표면에 원자 하나 단위로 분산된 촉매다. 적은 양의 금속으로도 많은 활성점을 활용할 수 있으며, 원자 주변의 결합 구조를 조절해 화학 반응을 정밀하게 제어할 수 있다.

2 양극-전해질 계면층(Cathode-Electrolyte Interphase, CEI) : 배터리가 충·방전되는 과정에서 양극과 전해질의 경계에 형성되는 얇은 보호층이다. 적절한 계면층은 불필요한 부반응을 억제하면서 이온의 이동을 도와 배터리의 안정적인 작동에 기여한다.