리튬황배터리 수명·효율 떨어뜨리는 현상 'DAC'로 해결…"리튬이온 대체 기대"

리튬황 배터리가 리튬이온 배터리보다 에너지 저장 능력이 더 뛰어나고, 제조원가도 훨씬 싸다. 하지만, 수명과 효율은 리튬이온에 비해 많이 떨어진다. 셔틀현상 때문이다. 국내 연구진이 '이 원자 촉매(DAC) 기술로 배터리 수명과 효율 문제를 해결했다. POSTECH(포항공과대학교)은 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 배터리공학과 원상연 석사과정생, 화학공학과 지준혁 석박 통합과정생 연구팀이 망간(Mn)과 철(Fe) 두 금속 원자가 결합된 '이원자 촉매'를 설계해 반응 속도를 높이면서도 안정성을 확보하는 데 성공했다고 9일 밝혔다. 연구는 에너지와 재료화학 분야 국제학술지 '에너지 화학 저널(Journal of Energy Chemistry)'에 게재됐다. 리튬황 배터리는 이론상 기존 리튬이온 배터리보다 에너지를 많이 담을 수 있고, 값싸고 가벼운 황을 사용해 드론이나 도심항공모빌리티(UAM) 같은 경량 고에너지 배터리가 필요한 분야에 제격이다. 그럼에도 충·방전 과정에서 생성되는 리튬 황화물(LiPSs)이 배터리 속을 돌아다니며 에너지를 빼앗는 '셔틀 현상' 때문에 배터리 수명과 효율이 떨어졌다. 배터리 속 에너지를 담은 작은 공이 제자리에서 뛰쳐나가 돌아다니며 효율을 떨어뜨린다. 연구팀은 이를 이원자 촉매(DAC)로 해결했다. 두 금속 원자가 가까이 붙어 서로 영향을 주면서, 배터리 내부에서 황을 잡아두고 반응을 빨리 진행하도록 만드는 원리를 적용했다. 연구팀은 망간과 철로 구성된 DAC를 합성하고, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 두 금속이 결합할 때 전자 구조가 선택적으로 변화함을 확인했다. 이러한 변화 덕분에 리튬 황화물을 단단히 잡으면서도 빠르게 반응시킬 수 있어, 배터리 반응 속도가 빨라지고 중간 생성물 손실이 줄어드는 효과를 냈다. 또한, 리튬 금속 음극의 안정성에도 주목했다. 기존에는 충전 과정에서 리튬이 고르게 쌓이지 않아 표면이 거칠어지고 배터리 수명이 짧아지는 문제가 있었다. 그러나 DAC를 적용하자 리튬이 균일하게 석출되며 안정적인 금속 표면이 형성되었고, 실제 실험에서도 초기 용량을 유지하면서 수백 회 충·방전 후에도 성능이 안정적으로 유지됐다. POSTECH 김원배 교수는 “원자 단위에서 금속 간 전자 구조 변화를 밝혀, 배터리 속도를 높이면서 안정성을 동시에 개선할 수 있는 원리를 보여줬다”며, “이러한 DAC 설계 전략이 차세대 고에너지 밀도 배터리 개발의 새로운 길을 열 것”이라고 전했다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 선도연구센터(ERC), 과학기술정보통신부 중견연구사업, 그리고 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업의 지원을 받아 수행됐다.