촉매의 원자단위 조절을 통한 차세대 리튬-황 전지 성능향상 서울대-서강대 연구팀과의 공동 연구로 고성능 리튬-황 이차전지 개발 국제 학술지 Advanced Functional Materials 에 소개돼
고려대학교 유승호 교수 연구팀이 리튬-황 전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 고려대는 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀(제1저자: 김성준 박사)이 공동연구를 통해 그래핀 지지체의 형상 변화를 통해 철 단원자 전기촉매의 원자구조를 성공적으로 변경하고 리튬-황 전지의 산화환원 전환 반응을 촉진하여 리튬-황 전지의 전기화학적 성능을 크게 향상했다고 26일 밝혔다. 이 연구는 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장을 맡은 현택환(공동교신저자, 서울대) 교수팀, IBS 나노입자연구단 부단장을 맡은 성영은(공동교신저자, 서울대) 교수팀, 백서인 (공동교신저자, 서강대) 교수팀과의 공동연구이다. 연구 성과는 국제 저명 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)'에 26일에 게재됐다. 현재 상용화되어 있는 리튬 이온 이차전지는 리튬이나 코발트 등 값비싼 재료를 사용하여 제조 단가가 높고, 에너지밀도가 낮아서 대용량 전지를 위한 새로운 고용량의 전극 소재의 개발이 요구된다. 황은 기존의 리튬 이온 전지 양극 소재의 5배 정도(1,675 mAh/g)에 달하는 높은 이론 용량을 가지며 소재의 비용이 낮아 생산 단가를 상당히 낮출 수 있다. 또 기존의 전극 물질과 비교하여 가벼운 무게를 가지고 있어 향후 무인항공기 등에 적용하기 쉬워 차세대 이차전지의 신소재로서 각광받고 있다. 그러나 리튬-황 전지는 전지의 구동 시에 발생하는 반응 중간물의 전해액 내 용해 문제와 반응 생성물인 리튬 황화물(Li2S)의 낮은 반응성 때문에 높은 전류 밀도에서의 충/방전 속도와 장기적인 성능을 확보하는 것이 매우 어렵다. 따라서, 리튬-황 전지에서 높은 성능을 위해서 황화물의 산화환원반응을 촉진하는 것이 매우 중요하다. 기존의 철 단원자 전기촉매는 연료전지의 산소환원반응을 위해 개발됐는데, 이번 연구에서는 이러한 전기촉매를 리튬-황 전지 시스템에 도입했다. 나아가, 기존의 그래핀 지지체에 고도로 주름진 형태를 도입하고, 이를 통해 전기화학 촉매 작용의 활성점인 철 단원자의 전자 구조를 변형하여 촉매 활성을 한 단계 더 향상했다. 달라진 철 단원자의 국부 구조와 그에 따라 향상된 촉매 활성은 다양한 물질 분석 실험과 밀도범함수이론(DFT) 계산을 이용하여 확인했다. 
유승호 교수팀은 다양한 전기화학 분석을 이용하여 철 단원자 전기촉매의 향상된 전기화학 특성을 확인했으며, 우수한 리튬-황 전지 시스템을 구축하여 높은 성능의 이차 전지 성능을 구현했다. 이번 연구에서는 15분 내로 완충될 수 있는 높은 충전 속도에서 300회 이상의 충/방전 과정 동안 안정적인 구동을 보였다. 또한, 산업적으로 상용화가 가능한 기준에 맞추어 높은 활물질 양과 낮은 전해액 양에 따른 성능을 확인했고, 이는 기존의 연료전지에서 주로 사용되던 전기촉매가 이차전지에 적용될 수 있다는 가능성과 우수한 성능을 가진 리튬-황 전지 개발 가능성을 보여주었다. 유승호 고려대 교수는 "이번 연구는 전기화학촉매가 배터리 분야에도 활발히 활용될 수 있다는 가능성을 보여주었다"며 "앞으로 높은 활성의 전기화학촉매소재 개발이 리튬-황 전지를 비롯한 차세대전지의 성능을 높이는 데 큰 기여를 할 것으로 기대한다"고 밝혔다.
뉴시스 2022.01.26일자 뉴스 발췌 | 