배터리 속 '셔틀 효과' 잡고 2000번 충전도 가능

김원배 포스텍 교수팀 기술 개발
반응 속도·수명 동시 향상… 상용화 가능

김원배 포스텍 교수 (사진= 포스텍 제공)

포스텍이 리튬-황 전지의 수명 저하 원인인 '셔틀 효과'를 억제하면서도 반응 속도를 높일 수 있는 촉매 설계 기술을 개발했다.

포스텍 화학공학과·친환경소재대학원 배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 통합과정 지준혁 씨 연구팀이 수행한 연구 결과는 재료과학 분야 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 게재됐다.

리튬-황 전지는 상용화된 리튬이온전지보다 훨씬 많은 에너지를 저장할 수 있어 전기차와 대용량 에너지저장장치를 이끌어갈 차세대 주자로 꼽혀 왔다.

문제는 충방전을 반복하는 동안 만들어지는 중간물질인 '리튬 폴리설파이드'다. 이 물질이 전해액 속을 둥둥 떠다니며 양극과 음극 사이를 제멋대로 오가는 '셔틀 효과' 현상이 발생하는데, 정해진 노선만 오가야 할 셔틀버스가 갑자기 아무 데나 들쑤시고 다니는 것과 같다.

그로 인해 전기를 만드는 데 써야 할 활성 물질이 새어나가고 배터리 수명은 빠르게 줄었다. 게다가 황은 전기가 잘 안 통해 반응 속도가 느리다는 점도 상용화의 발목을 잡아 왔다.

연구팀은 촉매 '전자 구조'에서 이 셔틀을 노선안에 얌전히 붙잡아 둘 방법을 찾았다. 기존 이황화몰리브덴 촉매에서 몰리브덴 일부를 코발트와 철로 동시에 바꿔 넣는 '공동 도핑' 방식을 적용한 것이다

두 금속을 함께 넣자 촉매 내부 전자 분포가 재배열되면서 리튬 폴리설파이드와 촉매가 서로 붙잡는 힘이 딱 적절한 상태가 만들어졌다. 너무 세게 붙잡으면 반응이 굼떠지고 너무 약하게 붙잡으면 셔틀 효과를 막을 수 없는데, 그 균형점을 찾아낸 셈이다. 덕분에 황의 반응은 빨라지고 전자와 리튬 이온이 원활하게 이동하면서 배터리 효율과 수명이 향상됐다.

결과는 기대 이상이었다. 연구팀이 만든 촉매를 적용한 리튬-황 전지는 고속 충방전 조건에서 2000번 충방전을 거치는 동안 사이클당 용량 감소율이 0.024%에 그쳤다.

특히 높은 황 함량과 적은 전해액 등 실제 배터리와 비슷한 조건에서도 우수한 성능을 유지해 상용화 가능성도 확인했다.

김원배 교수는 "촉매의 전자 구조를 원자 수준에서 정밀하게 설계하면 배터리 충방전 성능과 수명을 동시에 끌어올릴 수 있다는 것을 증명했다"며 "고성능 리튬-황 전지를 위한 새로운 촉매 설계 기준을 제시한 만큼 차세대 에너지저장 장치의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것"이라고 전했다.


포항=김규동 기자