'꿈의 배터리' 리튬황 전지서 새는 에너지 막는 촉매

전기차 꿈의 배터리로 주목받는 리튬-황 전지. 게티이미지뱅크 제공

배터리에서 새어나가는 에너지를 막는 촉매가 개발됐다. 차세대 고용량 이차전지 상용화에 한 걸음 더 다가서는 성과라는 평가가 나온다. 

포스텍은 김원배·조창신 화학공학과·배터리공학과 교수, 박관현 화학공학과 통합과정생, 산디아 라니 망기셰티 박사후연구원 연구팀이 주석 금속-카본 복합 촉매를 개발해 리튬-황 전지 양극 촉매로 적용해 높은 에너지 저장 성능과 효율을 구현하는 데 성공했다고 19일 밝혔다. 연구성과는 우수성을 인정받아 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 표지(front cover) 논문으로 지난 13일(현지시간) 게재됐다. 

전기차 '꿈의 배터리'로 주목받는 리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지보다 밀도가 높아 훨씬 많은 에너지를 담을 수 있다. 충·방전 과정에서 황이 전해질 속으로 녹아 사라지는 ‘셔틀링 효과’ 때문에 전지의 성능과 수명이 동시에 떨어지는 치명적 한계가 있다.

셔틀링 효과란 배터리 안에서 황 성분이 새어 나와 성능을 망가뜨리는 현상이다. 연료가 새는 자동차가 제 성능을 내지 못하는 것처럼 차세대 전지 상용화에 가장 큰 걸림돌로 지적됐다.

연구팀은 주석 금속과 탄소를 결합한 새로운 촉매를 만들었다. 질소·붕소가 동시에 도핑된 그래핀 나노시트와 탄소 나노튜브를 합성해 주석 미세 입자와 결합시킨 주석-카본 복합 촉매를 만들었다. 개발한 촉매는 전자의 흐름을 원활하게 하고 반응이 잘 일어나는 표면을 제공해 배터리 내부에서 황 성분이 안정적으로 반응할 수 있도록 돕는다. 

촉매를 배터리에 적용한 결과 전해질-촉매-도전재 간의 ‘3상 계면(three-phase interface)’이 효과적으로 구축됐다. 3상 계면이란 배터리 안에서 전기화학 반응이 일으키는 전해질-촉매-도전재가 만나는 접점이다.

용해성 폴리설파이드의 전환 반응과 리튬 설파이드(Li₂S) 증착 반응이 크게 개선됐다. 폴리설파이드는 리튬-황 전지 내에서 황과 리튬이 반응하며 전해질에서 녹아 만들어지는 황화합물이다. 황화합물이 전해질 내에서 이리저리 떠다니다가 전극에 붙였다 떨어지며 셔틀링 효과를 일으킨다.

연구팀이 개발한 촉매를 적용하자 황화합물이 떠다니지 않고 제 자리에서 더 정확히 반응하게 된 것이다. 리튬 설파이드는 용해성 폴리설파이드의 변형 물질이다. 촉매가 리튬 설파이드가 전극 표면에 균일하고 얇게 잘 달라붙어 배터리 성능을 높였다는 의미다. 

연구팀은 실험에 수학적 모델링을 적용하기도 했다. 연구팀은 리튬 설파이드가 형성되는 과정을 수학적으로 계산해 촉매의 성능을 정량적으로 평가했으며 실험 결과와 비교·분석함으로써 촉매 성능 판단을 위한 새로운 기준을 제시했다.

김원배 교수는 “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.

<참고자료>
-https://doi.org/10.1002/smll.202503534

[이채린 기자 rini113@donga.com]