a)기존 Li-S battery의 폴리설파이드 셔틀링 문제·b)SCM 전극이 적용된 Li-S Battery 및 MoSe2 촉매 효과.(사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교는 공과대학 에너지공학과 정현영 교수 연구팀이 차세대 고에너지 배터리로 주목받아 온 리튬-황(Li–S) 배터리 분야에서 오랫동안 문제로 지적돼 온 폴리설파이드 셔틀 현상과 느린 반응 속도를 동시에 개선할 수 있는 전극 기술을 개발했다고 2일 밝혔다. 특히 이 연구는 금속성과 반도체성 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2)가 혼합된 촉매를 전극에 도입해 극소량의 전해질에서도 전극 반응을 안정적으로 유지할 수 있는 방법을 제시했다.

이번 연구 성과는 에너지·화학공학 분야 국제 저명 학술지인 《케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)》(IF=13.4) 최신호에 ‘실용적 리튬-황 배터리에서 폴리설파이드 조절을 위한 열적 결합 결함형 1T/2H MoSe2 다기능 전기촉매(Thermally coupled defective 1T/2H MoSe2 as a multifunctional electrocatalyst for polysulfide regulation in practical lithium–sulfur batteries)’라는 제목으로 게재됐다.

리튬-황 배터리는 상용화된 리튬이온 배터리보다 이론적으로 월등히 높은 에너지밀도를 가질 뿐만 아니라 가격적인 측면에서 큰 이점을 가진다. 그러나 배터리 충·방전 중 황이 리튬과 반응해 생성되는 폴리설파이드가 전해질로 용출돼 음극으로 넘어가는 셔틀 현상과, 황 전극의 느린 전기화학 반응 속도로 인해 성능 저하가 일어난다. 이러한 문제는 에너지밀도를 높이기 위해 전해질의 양을 낮춘 희박 전해질에서 문제가 더 심각해진다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 금속과 반도체성이 혼합된 1T/2H 구조의 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2)을 촉매로 활용하고, 이를 활성 물질인 황과 열적으로 직접 결합시키는 전극 설계 전략을 제안했다. 이 복합 구조에서 MoSe2의 결함과 상 경계는 다수의 활성점을 형성해 폴리설파이드를 강하게 흡착해 이동을 억제하는 동시에, 전자와 리튬 이온의 전달을 가속화시켜 반응 장벽을 낮춘 것으로 연구팀은 확인했다.

그 결과 폴리설파이드 셔틀은 효과적으로 억제되면서도 황의 레독스 반응은 빠르게 진행되는 이중 효과로 전지의 성능이 향상됐으며, 희박 전해질 환경에서도 우수한 충·방전 성능을 유지해 차세대 리튬-황 배터리의 상용화 가능성을 한층 끌어올렸다.

이번에 개발한 리튬-황 전지는 810mAh/g의 높은 용량을 기록했으며, 96% 이상의 쿨롱 효율을 나타냈다. 특히 실험실 환경을 넘어 파우치 셀 수준의 검증에서도 안정적인 성능을 입증해, 실제 배터리에 적용할 가능성을 명확히 보여줬다는 점에서 주목된다.

교신저자인 정현영 교수는 “이번 연구는 리튬-황 배터리의 에너지밀도 향상을 가로막아 온 전해질 의존성과 상용화의 문제점인 느린 반응 속도라는 두 가지 핵심 이슈를 동시에 해결했다는 점에서 의미가 크다”며 “복잡한 공정 없이 단순한 열 결합 전략이기 때문에, 향후 전기차와 대규모 에너지 저장 시스템에 적용 가능한 고에너지 배터리 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 브레인 풀(Brain Pool) 사업의 지원을 받아 한국연구재단(NRF)을 통해 수행됐다.