차세대 고용량 이차전지 상용화에 한 걸음 다가서는 효과
포스텍 연구팀이 새어 나가는 에너지를 막는 '마개' 역할의 촉매를 개발했다.
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| ▲ 포스텍 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수. [포스텍 제공] |
포스텍은 화학공학과·배터리공학과 김원배·조창신 교수, 화학공학과 통합과정 박관현 씨, 산디아 라니 망기셰티 박사 공동연구팀이 주석 금속-카본 복합 촉매를 개발, 이를 리튬-황 전지 양극 촉매로 적용해 높은 에너지 저장 성능과 효율을 구현하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.
이번 연구성과는 국제 학술지 '스몰' 겉표지 논문으로 게재됐다.
리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지보다 밀도가 높아 훨씬 많은 에너지를 담을 수 있어 '꿈의 배터리'로 불린다.
그러나 충·방전 과정에서 황이 전해질 속으로 녹아 사라지는 '셔틀링 효과' 때문에 전지의 성능과 수명을 동시에 떨어지는 치명적 문제가 있었다. 이는 차세대 전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌로 지적되어 왔다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 주석 금속과 탄소를 결합한 새로운 촉매를 만들었다. 질소·붕소가 동시에 도핑된 그래핀 나노시트와 탄소 나노튜브를 합성해 이를 주석 미세 입자와 결합시킨 '주석-카본 복합 촉매'다.
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| ▲ 포스텍 화학공학과·배터리공학과 조창신 교수. [포스텍 제공] |
이 촉매는 전자의 흐름을 원활하게 하고 반응이 잘 일어나는 표면을 제공해 배터리 내부에서 황 성분이 안정적으로 반응할 수 있도록 돕는다.
그 결과, 전해질-촉매-도전재 간의 '3상 계면'이 효과적으로 구축되어, 용해성 폴리설파이드의 전환 반응과 리튬 설파이드(Li₂S) 증착 반응이 크게 개선됐다.
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| ▲ 3상 계면에서의 리튬-황 전지의 반응 메커니즘과 주석 금속-카본 복합 촉매에서의 반응 모식도. [포스텍 제공] |
이번 연구의 차별점은 실험적 검증과 더불어 수학적 모델링을 적용했다는 점이다. 연구팀은 리튬 설파이드가 형성되는 과정을 수학적으로 계산해 촉매의 성능을 정량적으로 평가했으며, 이를 실험 결과와 비교·분석함으로써 촉매 성능 판단을 위한 새로운 기준을 제시했다.
김원배 교수는 "이번 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.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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