서강대학교 화공생명공학과 문준혁 교수 연구팀은 차세대 리튬 전지를 위한 무정형 산화티탄 (amorphous TiO) 촉매 전극을 개발하였다. 해당 연구성과는 지난 6월 6일(월) 저명한 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’(임팩트 팩터: 16.806)에 게재되었다.
본 연구는 한국연구재단의 중견연구자 사업 등의 지원으로 수행되었으며, 문준혁 교수(교신저자)와 권동휘 박사(제1저자, 현 리하이대학교 post-doc)의 주도로 이루어졌다.
차세대 리튬 전지로 잘 알려진 리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지에 비해 약 5배 높은 이론 에너지 밀도로 각광 받고 있다. 그러나, 다단계의 리튬-황 화합물을 거쳐 충방전이 느리다는 단점으로 이론 에너지 밀도를 달성하지 못하고 있다. 기존 연구 들에서는 다단계의 반응을 제어하기 위해 여러 종류의 촉매 재료를 동시에 도입했었다.
문준혁 교수팀은 실험과 이론적 계산으로 무정형의 산화티탄에서 각 단계 반응이 모두 촉진됨을 규명하였다. 무정형은 비결정성(noncrystalline)이라고도 하며, 원자의 배열이 규칙적이지 않고 무질서한 것을 의미한다. 연구팀은 무정형 산화티탄에서는 충방전 중간체 화합물을 강하게 흡착하는 단계 반응을 촉진할 뿐만 아니라 최종 방전 생성물을 형성하는 단계 반응에 대해서도 높은 가역성을 보인다는 것을 확인했다.
연구팀은 무정형 산화티탄을 리튬-황 전지의 양극에 적용하여, 특히 충방전 반응 속도를 획기적으로 개선하였다. 3분 충전에서도 기존 리튬이온전지 대비 약 2배 높은 용량을 달성하였다. 이 속도는 휴대전화의 충전에서 고속 충전기로 1시간 정도 걸리는 것을 수분내로 빠르게 할 수 있다는 것을 의미한다.
서강대 화공생명공학과 문준혁 교수는 “이번 연구는 원자 배열이 무질서한 산화티탄에서 특이적인 충방전 반응 거동을 확인했다는데 의의가 있으며, 차세대 리튬-황 전지의 실용화를 앞당길 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다.
▶ 논문명: Discovery of Dual-Functional Amorphous Titanium Suboxide to Promote Polysulfide Adsorption and Regulate Sulfide Growth in Li–S Batteries
▶ 논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202200958
