경상국립대학교는 차세대 고에너지 배터리로 주목받는 리튬-황(Li-S) 배터리의 핵심 문제를 해결할 수 있는 전극 기술을 개발했다.

정현영 교수 연구팀은 금속성과 반도체성 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2)이 혼합된 촉매를 전극에 적용해 극소량의 전해질 환경에서도 전극 반응을 안정적으로 유지하는 방법을 제시했다.

이번 연구는 에너지·화학공학 분야 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)' 최신호에 '실용적 리튬-황 배터리에서 폴리설파이드 조절을 위한 열적 결합 결함형 1T/2H MoSe2 다기능 전기촉매'라는 제목으로 실렸다.

리튬-황 배터리는 상용 리튬이온 배터리보다 이론상 에너지 밀도가 월등히 높고, 가격 경쟁력도 우수하다. 하지만 충·방전 과정에서 발생하는 폴리설파이드 셔틀 현상과 황 전극의 느린 반응 속도가 성능 저하를 일으킨다. 이는 에너지밀도 향상을 위해 전해질을 줄인 희박 전해질 환경에서 더 심각해진다.

연구팀은 1T/2H 구조의 이셀레늄화몰리브덴을 촉매로 사용하고, 활성 물질인 황과 열적으로 직접 결합시키는 전극 설계 방식을 적용했다. 이 복합 구조에서 MoSe2의 결함과 상 경계가 다수의 활성점을 만들어 폴리설파이드를 강하게 흡착해 이동을 차단하면서, 동시에 전자와 리튬 이온 전달을 빠르게 해 반응 장벽을 낮췄다.

그 결과 폴리설파이드 셔틀이 효과적으로 억제되고 황의 레독스 반응은 빠르게 진행되는 이중 효과로 전지 성능이 개선됐다. 희박 전해질 조건에서도 뛰어난 충·방전 성능을 보여 차세대 리튬-황 배터리 상용화 가능성을 높였다.

개발된 리튬-황 전지는 810mAh/g의 높은 용량을 기록했고, 96% 이상의 쿨롱 효율을 나타냈다. 파우치 셀 수준의 검증에서도 안정적 성능을 입증해 실제 배터리 적용 가능성을 확인했다는 점에서 주목받고 있다.

정현영 교수는 "이번 연구는 리튬-황 배터리의 전해질 의존성과 느린 반응 속도라는 두 핵심 과제를 동시에 해결했다는 점에서 의미가 크다"며 "복잡한 공정 없이 단순한 열 결합 전략이어 전기차와 대규모 에너지 저장 시스템에 적용 가능한 고에너지 배터리 개발을 앞당길 수 있을 것"이라고 밝혔다.

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