연구팀은 금속성과 반도체성이 혼합된 1T/2H 구조의 이셀레늄화몰리브덴(MoSe₂) 촉매를 황 전극에 적용해, 리튬-황 배터리에서 오랫동안 문제로 지적돼 온 폴리설파이드 셔틀 현상과 느린 전기화학 반응 속도를 효과적으로 개선하는 데 성공했다.
이번 연구 성과는 에너지·화학공학 분야의 국제 저명 학술지인 Chemical Engineering Journal(임팩트 팩터 13.4) 최신호에 'Thermally coupled defective 1T/2H MoSe₂ as a multifunctional electrocatalyst for polysulfide regulation in practical lithium–sulfur batteries'라는 제목으로 게재됐다.
리튬-황 배터리는 기존 리튬이온 배터리 대비 이론적으로 훨씬 높은 에너지밀도와 원가 경쟁력을 갖고 있지만, 충·방전 과정에서 생성되는 폴리설파이드가 전해질로 용출돼 음극으로 이동하는 셔틀 현상과 황 전극의 느린 반응 속도로 인해 성능 저하가 발생해 왔다. 특히 에너지밀도 향상을 위해 전해질 사용량을 줄인 희박 전해질 조건에서는 이러한 문제가 더욱 심화된다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 금속성과 반도체성이 공존하는 MoSe₂ 촉매를 황 활성물질과 열적으로 직접 결합시키는 전극 설계 전략을 제안했다. 이 과정에서 형성된 결함 구조와 상(phase) 경계는 다수의 활성점을 제공해 폴리설파이드를 강하게 흡착하고 이동을 억제하는 동시에, 전자 및 리튬 이온 전달을 촉진해 전극 반응 장벽을 크게 낮춘 것으로 확인됐다.
그 결과 폴리설파이드 셔틀은 효과적으로 억제되면서도 황의 산화·환원 반응은 빠르게 진행되는 이중 효과가 나타났으며, 희박 전해질 환경에서도 안정적인 충·방전 성능을 유지했다. 이를 통해 리튬-황 배터리의 실용성과 상용화 가능성이 한층 높아졌다는 평가다.
실험 결과, 개발된 리튬-황 전지는 810mAh/g의 높은 용량과 96% 이상의 쿨롱 효율을 기록했다. 특히 코인 셀 수준을 넘어 파우치 셀 환경에서도 안정적인 성능을 입증해 실제 배터리 적용 가능성을 명확히 보여줬다.
정현영 교수는 "이번 연구는 리튬-황 배터리의 에너지밀도 향상을 가로막아 온 전해질 의존성과 느린 반응 속도라는 두 가지 핵심 문제를 동시에 해결했다는 점에서 의미가 크다"며 "복잡한 공정 없이 단순한 열 결합 전략을 활용한 만큼, 향후 전기차 및 대규모 에너지 저장 시스템용 고에너지 배터리 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.
