화재 위험이 낮고 경제성이 뛰어나 차세대 에너지 저장 장치로 꼽히지만 느린 충·방전 속도가 걸림돌이었던 ‘비수계 아연-황 전지’의 성능을 획기적으로 끌어올리는 기술이 개발됐다. 촉매 하나로 느린 화학 반응을 가속하는 동시에 전극 보호막을 형성해 배터리 수명을 대폭 늘린 것이다. 포항공과대학교(이하 포스텍) 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수 연구팀은 포항가속기연구소 연구진과의 공동 연구를 통해 물을 쓰지 않는 비수계 아연-황 전지에서 황 반응을 촉진하고 전극 안정성을 확보하는 니켈 단원자 촉매(Ni-SAC)를 개발했다고 22일 밝혔다. 매장량이 풍부하고 저렴한 아연과 용량이 큰 황을 결합한 아연-황 전지는 가격 경쟁력과 성능을 두루 갖춘 차세대 배터리로 주목받아 왔다. 손오공다운로드 기존 수계(물 기반) 아연 전지는 충·방전 과정에서 물이 분해돼 가스가 발생하거나, 아연이 뾰족하게 자라나는 ‘덴드라이트(dendrite)’ 현상으로 단락(합선)이 발생하는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 유기용매를 사용하는 비수계 전해질이 도입됐으나, 무거운 아연 이온의 이동이 제한되고 황의 화학 전환 반응이 지나치게 느려져 출력 특성이 떨어지는 문제가 뒤따랐다. 연구팀은 질소가 도핑된 탄소 지지체 위에 니켈 원자를 분산 배치한 ‘니켈 단원자 촉매’를 설계해 해법을 찾았다. 니켈 원자가 주변 질소 원자 4개와 결합한 고유 구조(Ni-N₄)는 황이 반응할 때 필요한 활성화 에너지를 낮춰 느렸던 전환 반응을 대폭 촉진했다. 이 촉매는 반응 가속뿐만 아니라 전극 보호막 형성 역할도 동시에 수행했다. 황금성갈가리 충·방전 과정에서 전극과 전해질 사이에 불화아연(ZnF₂) 성분이 풍부한 양극-전해질 계면층(CEI)을 유도해 불필요한 부반응을 억제하고 아연 이온이 원활하게 이동할 수 있는 통로를 만들었다. 실제 니켈 단원자 촉매를 적용한 아연-황 전지는 400회에 달하는 장기 충·방전 수명 평가에서도 용량 저하 없이 안정적인 구동 특성을 유지했다. 비수계 전해질의 화학적 안정성을 유지하면서 고질적인 반응 지연 문제를 극복한 셈이다. 김원배 교수는 “비수계 전해질로 아연 전극의 안정성을 확보하는 동시에 원자 수준의 촉매로 느린 황 반응까지 개선했다”며 “촉매가 반응 속도 향상과 안정적인 전극 보호막 형성을 동시에 이끈다는 .에서 고성능 비수계 아연 배터리 설계의 새로운 방향을 제시할 것”이라고 말했다. 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈’에 최근 게재됐다. 됐으나, 무거운 아