리튬황 배터리 수명·성능 동시 개선⋯포항공대, ‘이원자 촉매’ 설계 원리 제시

김원배 교수. /포항공과대학교 제공

차세대 고에너지 배터리로 주목받아온 리튬-황(Li-S) 배터리의 성능과 수명을 동시에 끌어올릴 수 있는 핵심 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 

포항공과대학교 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수 연구팀은 망간(Mn)과 철(Fe) 두 금속 원자가 결합된 ‘이원자 촉매(Dual-Atom Catalyst, DAC)’를 설계해 리튬황 배터리의 반응 속도를 높이면서도 구조적 안정성을 확보하는 데 성공했다고 9일 밝혔다. 

리튬황 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 이론적 에너지 밀도가 높고 값싸고 가벼운 황을 사용해 경량·고에너지 배터리가 필요한 드론이나 도심항공모빌리티(UAM) 분야에서 차세대 대안으로 꼽혀왔다. 그러나 충·방전 과정에서 생성되는 리튬 황화물(LiPSs)이 전극 사이를 오가며 에너지를 소모하는 ‘셔틀 현상’으로 인해 수명과 효율이 급격히 저하되는 한계를 안고 있었다.

연구팀은 기존 단일원자 촉매를 넘어 두 금속 원자가 서로 인접해 작용하는 DAC 구조를 적용했다. 망간과 철이 결합하면서 전자 구조가 선택적으로 변화하고 그 결과 리튬 황화물을 강하게 붙잡으면서도 반응을 빠르게 진행시키는 촉매 특성이 동시에 구현됐다. 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해 이러한 전자 구조 변화와 반응 촉진 효과도 확인했다.

아울러 연구팀은 리튬 금속 음극 안정성 문제도 함께 해결했다. 기존 리튬황 배터리는 충전 과정에서 리튬이 불균일하게 쌓이며 표면이 거칠어지고 이로 인해 수명이 단축되는 문제가 있었다. DAC를 적용한 배터리에서는 리튬이 균일하게 석출되며 안정적인 금속 표면이 형성됐고 수백 회 충·방전 이후에도 초기 용량이 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.

김원배 교수는 “원자 단위에서 금속 간 전자 구조 변화를 규명함으로써 배터리 속도를 높이면서도 안정성을 동시에 확보할 수 있는 원리를 제시했다”며 “이원자 촉매 설계 전략이 차세대 고에너지 밀도 배터리 개발의 새로운 방향이 될 것”이라고 말했다.

/단정민기자 [e-mail]