▲ 왼쪽부터 유승호 교수(교신저자), 김성준 박사(제1저자)
고려대학교 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀(제1저자: 김성준 박사)이 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장을 맡고 있는 현택환(공동교신저자, 서울대) 교수팀, I BS 나노입자연구단 부단장을 맡고 있는 성영은(공동교신저자, 서울대) 교수팀, 김두호(공동교신저자, 경희대) 교수팀과의 공동연구를 통해 산소 플라즈마 처리를 통해 산소 작용기를 첨가하여 철 단원자와 함께 이중 연결 자리를 가지는 고성능 리튬-황 전지용 전기촉매를 개발하였다.
연구 성과는 국제 저명 학술지 ‘미국화학회 에너지레터스(ACS Energy Letters)’ (IF=23.991)에 미국 현지시간 7월 20일 게재됐다.
리튬-황 전지는 기존의 리튬 이온전지와 비교하여 값싼 생산 단가와 5배에 달하는 높은 이론용량으로 차세대 이차전지 소재로 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만, 황과 구동 생성물인 리튬황화물(Li2S)은 매우 낮은 전기전도성을 가지고 있어 반응성이 매우 낮고, 이는 높은 충/방전 속도에서 안정적인 성능 구현을 어렵게 만들었다. 따라서, 리튬-황 전지의 상용성 확보를 위해서, 황 및 황화물의 산화환원반응을 촉진하여 높은 전류밀도에서도 빠르고 안정적으로 반응하게 하는 것이 매우 중요하다.
최근 많은 철 단원자 전기촉매가 리튬-황 전지의 반응 촉진을 위해 개발되었는데, 이번 연구에서는 굉장히 쉽고 간단한 산소 플라즈마 방식을 통해서 산소 작용기를 철 단원자 자리 주변에 도입하였다. 이렇게 도입된 산소 작용기는 철 단원자 촉매자리와 함께 이중 연결자리를 형성하여 황 및 황화물의 산화환원반응에 대한 촉매 활성을 향상 시켰다. 산소와 철 단원자 촉매자리가 리튬 황화물에 이중으로 작용하는 것을 심도 높은 엑스선 기반 물질 분석과 전기화학분석, 그리고 밀도범함수이론(DFT)계산을 이용하여 확인하였다.
유승호 교수팀은 다양한 전기화학 분석을 이용하여 이중 연결자리가 촉매활성을 증가시키는 것을 확인하였으며, 활성이 증가된 전기촉매를 통해 높은 이차 전지 성능을 구현하였다. 이번 연구에서는 12분 내로 완충될 수 있는 높은 속도의 전류밀도에서 500회 이상의 층/방전 사이클 동안 매우 안정적인 전지 구동을 보여주었다. 또한, 산업적 상용 기준을 웃도는 황 함량 조건에서도 우수한 성능을 보여주어, 향후 본 전기촉매가 상용화 가능성이 있음을 시사하였다.
유승호 고려대 교수는 “이번 연구는 간단한 과정을 통해 전기촉매의 성능을 크게 향상할 수 있었고, 상용 기준에 배터리 구동 성능을 보여줌으로써 상용의 가능성 또한 보여주었다. 또한 앞으로 전기화학촉매를 통해 기존 리튬이온전지를 대체 할 수 있는 차세대 리튬-황 전지의 실용화를 한 단계 더 앞당기는 데 큰 도움을 줄 수 있을 것.”이라고 밝혔다.
■ 그림설명
▲ 산소 플라즈마 처리를 통한 산소 도입과 철 단원자 자리와의 이중 연결 자리의 형성 및 촉매 작용을 나타낸 모식도
■ 논문정보
*제목: Oxygen-Plasma-Treated Fe-N-C Catalysts with Dual Binding Sites for Enhanced Electrocatalytic Polysulfide Conversion in Lithium-Sulfur Batteries
-출처: 고대뉴스
