포스텍, 리튬황 배터리 성능·수명 향상 기술 개발

망간·철 촉매로 전지 오래 쓰고 빠르게 충전
전기차·드론 등 차세대 배터리 개발 길 열어

왼쪽부터 김원배 포스텍 교수, 화학공학과 통합과정 지준혁 씨, 배터리공학과 석사과정 원상연 씨.

리튬-황(Li-S) 배터리 성능과 수명을 동시에 끌어올릴 기술이 나왔다. 이 기술은 전기차, 드론, 대규모 에너지 저장장치 등 차세대 친환경 배터리 개발에 큰 길을 열었다는 평가를 받고 있다.

포스텍 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 배터리공학과 석사과정 원상연, 화학공학과 통합과정 지준혁 씨 연구팀은 망간(Mn)과 철(Fe) 두 금속 원자가 결합된 '이원자 촉매'를 설계해 반응 속도를 높이면서도 안정성을 확보하는 데 성공했다. 이 연구는 에너지와 재료화학 분야 국제학술지인 '에너지 화학 저널(Journal of Energy Chemistry)'에 게재됐다.

'리튬황 배터리'는 이론상 기존 리튬이온 배터리보다 에너지를 많이 담을 수 있고 값싸고 가벼운 황을 사용해 드론이나 도심항공모빌리티(UAM) 같은 경량 고에너지 배터리가 필요한 분야에 제격이다.

다만, 충·방전 과정에서 생성되는 리튬 황화물이 배터리 속을 돌아다니며 에너지를 빼앗은 '셔틀 현상(shuttle effect)' 때문에 배터리 수명과 효율이 떨어졌다.

쉽게 말해 배터리 속 에너지를 담은 작은 공이 제자리에서 뛰쳐나가 돌아다니며 효율을 떨어뜨리는 셈이다.

연구팀은 기존 단일원자 촉매보다 한 단계 더 발전한 '이원자 촉매(이하 DAC, Dual-Atom Catalyst)'를 적용했다. 두 금속 원자가 가까이 붙어 서로 영향을 주면서, 배터리 내부에서 황을 잡아두고 반응을 빨리 진행하도록 만드는 원리다.

연구팀은 망간과 철로 구성된 DAC를 합성하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 두 금속이 결합할 때 전자 구조가 선택적으로 변화함을 확인했다.

이러한 변화 덕분에 리튬 황화물을 단단히 잡으면서도 빠르게 반응시킬 수 있어 배터리 반응 속도가 빨라지고 중간 생성물 손실이 줄어드는 효과를 냈다.

리튬 금속 음극의 안정성에도 주목했다. 기존에는 충전 과정에서 리튬이 고르게 쌓이지 않아 표면이 거칠어지고 배터리 수명이 짧아지는 문제가 있었다.

연구팀이 DAC를 적용하자 리튬이 균일하게 석출되며 안정적인 금속 표면이 형성되었고 실제 실험에서도 초기 용량을 유지하면서 수백 회 충·방전 후에도 성능이 안정적으로 유지됐다.

이번 연구는 DAC를 통해 황의 반응 속도와 리튬 금속 음극의 안정성을 동시에 높이는 설계 원리를 제시한 것으로, 차세대 리튬황 배터리 상용화에 중요한 단서를 제공한다.

김원배 교수는 "원자 단위에서 금속 간 전자 구조 변화를 밝혀 배터리 속도를 높이면서 안정성을 동시에 개선할 수 있는 원리를 보여주었다"며 "이러한 DAC 설계 전략이 차세대 고에너지 밀도 배터리 개발의 새로운 길을 열 것"이라고 전했다.


포항=김규동 기자 korea808080@