리튬황 배터리 1700회 충방전 성공…'이 물질'로 한계 돌파

차세대 '꿈의 배터리'로 불리는 리튬황 배터리의 수명을 1700회 이상으로 늘리는 획기적인 기술이 개발됐다.

중국 베이징이공대와 영국 퀸스대 벨파스트 공동 연구팀은 11일(현지시간) 인(P)과 세륨(Ce)을 이용한 새로운 단일원자 촉매를 통해 리튬황 배터리의 성능과 수명을 크게 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다.

이번에 개발된 배터리는 1C(배터리를 1시간 만에 완전 충전하는 속도) 충전 조건에서 1700회 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 대부분을 유지했다. 사이클당 용량 감소율은 0.036%에 불과하다.

리튬황 배터리는 현재 전기차에 널리 쓰이는 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 이론적으로 5배 이상 높아 주목받는 기술이다. 하지만 충·방전 과정에서 발생하는 중간 생성물(리튬 폴리설파이드)이 전극을 오염시켜 수명이 짧아지는 고질적인 문제를 안고 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 '촉매 탈용매화'라는 새로운 전략을 제시했다. 인과 세륨 단일원자로 구성된 촉매(P/Ce-NC)를 사용해 리튬 이온이 전해액 용매와 분리되는 과정(탈용매화)에 필요한 에너지를 기존의 4분의 1 수준인 0.3~0.39eV(전자볼트)로 크게 낮췄다.

이 촉매는 리튬 이온의 이동 속도를 높이는 동시에, 수명 저하의 주범인 리튬 폴리설파이드가 전극으로 확산하는 것을 막는 이중 역할을 수행한다. 이를 통해 배터리 내부 반응 속도를 높이고 안정성을 확보한 것이다.

실제 개발된 배터리는 0.2C의 속도에서 g당 1134mAh의 높은 초기 방전 용량을 기록했으며, 200회 충·방전 후에도 72%가 넘는 용량 유지율을 보였다. 특히 6C의 초고속 충전 조건에서도 우수한 성능을 나타냈다.

연구팀은 황 함량을 높인 파우치형 셀에서도 200회 충·방전 후 96.54%의 높은 용량 유지율을 확인하며 상용화 가능성을 입증했다. 연구팀은 이번 성과가 전기차와 대규모 에너지저장장치(ESS)에 적용될 고성능 리튬황 배터리 상용화를 앞당기는 중요한 이정표가 될 것이라고 설명했다.