중국 연구진이 기존의 열역학적 특성에만 의존하던 배터리 촉매 설계 방식에서 벗어나 새로운 원리를 제시했다.

중국과학원 금속연구소 리펑 교수 연구팀은 국제학술지 '네이처 카탈리시스'에 고체상 전자 수송 효율에 초점을 맞춘 새로운 리튬 배터리 촉매 설계 원리를 발표했다고 11일 밝혔다.

연구팀은 높은 이론적 에너지 밀도에도 불구하고 상용화에 어려움을 겪던 리튬-황, 리튬-산소 배터리 문제에 주목했다. 이들 배터리는 충·방전 과정에서 황화리튬(Li₂S)과 같은 절연성 고체 중간체가 촉매 표면에 쌓여 전자와 이온의 이동을 막아 성능 저하를 일으킨다.

연구팀은 351개의 이중원자 촉매에 대한 대규모 밀도범함수 이론(DFT) 계산을 수행했다. 그 결과, 반응 초기에는 열역학적 에너지 장벽이 중요하지만, 절연성 고체가 쌓이면서부터는 전자 수송 능력이 전체 반응 속도를 결정하는 핵심 요인이 됨을 발견했다.

이를 바탕으로 연구팀은 코발트-코발트 동종 핵 이중원자 촉매(DA-CoCo)를 설계했다. 이 촉매는 강력한 오비탈 결합을 통해 고체 중간체의 전하 수송 능력을 크게 향상시켜 촉매 표면이 비활성화된 후에도 지속적인 반응을 가능하게 한다.

실제로 DA-CoCo 촉매를 적용한 암페어시(Ah)급 리튬-황 파우치 셀은 ㎏당 459와트시(Wh)의 비에너지를 달성했다. 이는 새로운 촉매 설계 원리가 실제 복잡한 시스템에서도 유효함을 입증한 결과다.

이번 연구는 에너지 저장 시스템에 사용되는 전기화학 촉매 설계에 새로운 방향을 제시한 것으로 평가된다.