포스텍, 전기차 배터리 성능 높이고 수명 늘렸다

김원배 교수.지준혁 씨 연구팀

김원배 포스텍 교수

전기차 배터리가 더 오래가고 더 강력해질 수 있는 새로운 해법이 제시됐다.

최근 포스텍 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 통합과정 지준혁 씨 연구팀은 전극 촉매의 '붙는 힘'을 원자 수준에서 정밀하게 조절해 리튬황배터리의 성능과 수명을 동시에 개선하는 데 성공했다. 연구는 소재·화학·나노 분야 국제 학술지인 '스몰'에 게재됐다.

리튬황배터리는 차세대 배터리의 유력한 후보로 꼽힌다. 값비싼 희귀 금속 대신 풍부한 황을 사용해 제조 비용을 크게 낮출 수 있고 에너지 저장 용량도 기존 리튬이온배터리의 5배 이상이다. 전기차의 주행거리를 크게 늘리고 에너지저장 장치의 효율을 크게 높일 수 있어 '게임체인저'로 기대를 모으고 있다.

하지만 치명적인 약점이 있었다. 배터리 충·방전 과정에서 황과 리튬이 반응해 생기는 '리튬 폴리설파이드'가 전해질에 녹아 음극으로 이동하면서 리튬 금속을 손상한다. 이른바 '셔틀 효과'로 불리며, 배터리의 수명을 빠르게 줄이는 주요 원인이다.

이를 해결하려면 폴리설파이드를 전극의 표면에 잘 붙잡아 두되 반응이 끝나면 쉽게 떨어지도록 하는 균형이 필요하다. 이처럼 '붙었다 떨어지는 힘'을 미세하게 조절하기 위해 촉매 표면에 지르코늄 이온을 원자 단위로 고르게 분산시키는 방식을 고안했다. 핵심은 폴리설파이드가 전극에 '적당히' 달라붙게 하는 것이다. 너무 강하게 붙으면 반응 속도가 느려지고 너무 약하면 셔틀 효과가 발생한다.

컴퓨터 시뮬레이션 결과 연구팀이 'd-밴드 이론'을 활용해 촉매 표면의 전자 구조를 조절해 소량의 지르코늄 첨가만으로도 접착력이 적절히 낮아져 배터리 충·방전 과정이 원활하게 진행된다는 사실을 확인했다.

실험 결과는 기대 이상이었다. 연구팀이 만든 전극은 일반적인 충전 속도로 1000회 이상 충·방전해도 초기 용량의 93% 이상을 유지했고 고속 충전에서도 뛰어난 내구성을 보였다. 또 실제와 유사한 고밀도 황(4.6~5.4 mg/cm²)과 적은 전해질(8μL/mg 황) 조건에서도 높은 에너지 용량을 오래 유지했다.

연구는 배터리의 반응을 원자 수준에서 제어할 수 있음을 보여준 첫 사례다.

김원배 교수는 "리튬황배터리 상용화를 가로막던 난제를 전자적 접착력 조절로 풀어낸 연구"라며 "저비용·고용량 배터리 생산에 한 걸음 더 다가서 탄소중립 시대의 에너지 저장 솔루션에 중요한 기여를 할 것"이라고 말했다.


포항=김규동 기자 korea808080@