리튬-황 이차전지와 다기능성 금속유기골격체가 포함된 분리막 및 촉매작용 모식도 이미지. (사진=부경대 제공)

국립부경대학교 공업화학전공 조계용 교수 연구팀은 차세대 이차전지인 리튬-황 배터리의 새로운 분리막을 개발했다고 7일 밝혔다.

국립부경대 조계용 교수와 부산대 유기소재시스템공학전공 이진홍 교수 등 공동연구팀은 리튬-황 배터리 상용화의 주요 걸림돌인 열화현상을 일으키는 셔틀효과를 극복하기 위해 금속유기골격체(MOF) 소재를 기반으로 한 제조 방법을 제시했다.

연구팀은 넓은 표면적을 지닌 다공성 물질 MOF 소재를 기반으로 분리막을 제조, 적용해 리튬-황 배터리의 충-방전 효율과 전극의 안정성을 높이는 연구 결과를 발표했다.

리튬-황 배터리는 높은 전기용량 구현이 가능해 차세대 이차전지로 크게 주목받고 있지만, 충-방전 시 셔틀효과로 리튬폴리황산사슬(Li2Sx)이 생성되며 영구적인 전극용량 감소와 배터리 수명 단축 등을 초래하는 문제가 있다.

이 같은 문제를 해결하기 위해 조 교수 연구팀은 MOF 소재 중 하나인 절연성 금속유기골격체(ZIF-8)를 이용한 기능화된 다기능성 MOF 소재(ZIF8A)와 그래핀 옥사이드의 복합물인 NZG로 분리막을 제작해 셔틀효과를 극복하고 높은 전극용량을 유지하도록 했다.

그 결과 충-방전 시 발생하는 폴리황화물이 넓은 표면적에 과량의 아민을 가지는 NZG 복합물에서 촉매 작용을 통한 빠른 산화-환원반응으로 빠른 충-방전 속도에서도 높은 전극용량을 유지하는 리튬-황 배터리를 제작할 수 있는 것으로 나타났다.

이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구 및 산업통상자원부의 지원을 받아 이뤄졌으며, 재료·에너지 분야 국제학술지 'Composites PartB: engineering'(IF=13.1, JCR=0.6%)에 최근 게재됐다.

이번 연구 논문의 제1저자인 김세훈 석사과정 학생은 "다기능성 MOF 소재의 개발 및 복합화 기술 그리고 이를 활용한 리튬-황 전지용 분리막 코팅기술을 개발해 종전에 분리막이 가지고 있던 문제점을 개선함으로써 차세대 배터리 종류에 하나인 리튬-황 전지의 상용화가 앞당겨질 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.