고려대학교(총장 정진택) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀(제1저자: 김성준 박사)이 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장을 맡고 있는 현택환(공동교신저자, 서울대) 교수팀, IBS 나노입자연구단 부단장을 맡고 있는 성영은(공동교신저자, 서울대) 교수팀, 백서인 (공동교신저자, 서강대) 교수팀과의 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 향상시켰다. 

연구 성과는 국제 저명 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)’ (IF=18.808)에 유럽 현지시간 1월 26일 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. 또한, 기존의 전극 물질과 비교하여 가벼운 무게를 가지고 있어 향후 무인항공기 등에 적용하기 용이하여 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 향상 시켰다. 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 과정동안 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 보여주었고, 앞으로 높은 활성의 전기화학촉매소재 개발이 리튬-황 전지를 비롯한 차세대전지의 성능을 높이는 데 큰 기여를 할 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

이현건 기자 다른기사 보기