(왼쪽부터) 정성철 교수, 전태곤 연구원 (사진=부경대 제공)

국립부경대학교 물리학과 정성철 교수 연구팀이 리튬-황 이차전지 효율을 높일 수 있는 금속유기골격체(Metal organic framework) 이온수송 메커니즘 규명에 성공했다.

정 교수와 물리학과‧나노과학기술연구소 전태곤 연구원은 HKUST-1 금속유기골격체 기반 분리막이 리튬다황화물의 이동은 차단하면서 리튬이온만을 효과적으로 통과시키는 메커니즘을 원자 수준에서 규명해냈다. 금속유기골격체는 이차전지, 수소저장, 촉매, 센서, 약물전달 등의 분야에 활용되는 미세다공성 물질이다.

리튬-황 이차전지는 리튬다황화물이 분리막을 통과해 양극과 음극 사이를 반복적으로 왕복하는 셔틀현상이 고질적인 문제였다.

연구팀은 제일원리계산 시뮬레이션 연구를 통해 금속유기골격체 기공의 크기뿐만 아니라 금속유기골격체를 통과하는 이온 또는 분자의 용매화 구조가 분리막을 통과할 수 있는 중요한 요인이라는 사실을 규명했다. 금속유기골격체의 활성부위와 이온 또는 분자 간 화학결합 유무도 중요한 요인으로 나타났다.

정 교수는 “이번 연구 결과는 리튬다황화물의 셔틀현상 해결은 물론, 일반적인 액체전해질 기반 금속-이온전지의 금속유기골격체 분리막을 설계할 때도 매우 유용한 정보가 될 수 있다”며 “일반적인 미세다공성 물질에서 표적물질만의 선택적 이동과 차단을 제어하는 데도 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(중견연구)의 지원을 받아 진행됐으며, 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)가 발간하는 화학‧물리‧재료 분야의 세계적 국제학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’(인용지수=12.732) 온라인판에 최근 게재됐다.