[비욘드포스트 이봉진 기자] 중앙대학교(총장 박상규)는 첨단소재공학과 박승근 교수와 화학공학과 남인호 교수(지능형에너지산업융합학과 겸임) 공동연구팀이 금속–유기 골격체(Metal–Organic Framework, MOF)를 활용해 리튬–황 전지의 성능과 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 신규 층간막 소재를 개발했다고 16일 밝혔다.
MOF는 금속 이온과 유기물이 결합해 만들어진 다공성 결정 구조체로, 올해 노벨화학상 수상으로도 주목받고 있는 첨단 소재다. 이번 연구는 다차원 구조 설계를 기반으로 한 단일원자 촉매 활성 제어 기술을 리튬–황 전지에 적용한 사례로, 차세대 고에너지 밀도 전지 상용화의 새로운 돌파구로 평가된다.
리튬–황 전지는 무게당 에너지 용량이 기존 리튬이온전지보다 5배 이상 높지만, 충·방전 중 폴리설파이드의 셔틀 현상과 황의 낮은 전도성 때문에 성능이 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 전기방사 기술을 활용해 MOF 기반의 질소 도핑 탄소 나노섬유를 제작하고, 섬유 내부에 단일원자 수준으로 분산된 코발트 활성 중심을 도입했다.
이 과정에서 단일원자의 미시적 배위환경과 외부의 거시적 기공 네트워크를 동시에 조절하는 ‘다차원 구조 설계 전략’을 적용하여, 폴리설파이드의 흡착과 촉매 반응을 효율적으로 제어하고 전극 내 반응의 균일성과 셀 안정성을 향상시켰다.
개발된 층간막은 기존 상용 분리막 대비 높은 용량 유지율과 우수한 사이클 안정성을 보였으며, 장시간 반복 충·방전 후에도 안정적인 성능을 유지했다. 연구팀은 이러한 다차원 구조 설계가 전자 이동과 반응 확산을 최적화함으로써 리튬–황 전지의 수명 향상에 핵심 요인으로 작용한 것으로 분석했다.
박승근 교수는 “금속–유기 골격체의 정밀한 구조 제어 능력을 1차원 나노섬유 설계에 접목한 결과, 리튬–황 전지의 근본적 문제를 동시에 해결할 수 있었다”며 “이번 성과는 차세대 고에너지 밀도 전지 실용화의 핵심 기술로 확장될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 나정호, 장서현 박사과정생(지능형에너지산업융합학과)이 공동 제1저자로 수행했으며, 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.
연구 결과는 섬유 분야 국제 최상위 학술지 ‘Advanced Fiber Materials’(인용지수 21.3, JCR 상위 1.6%)에 “Dual-Level Engineering of MOF-Derived Hierarchical Porous Carbon Nanofibers with Low-Coordinated Cobalt Single-Atom Catalysts for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries”라는 제목으로 온라인 게재됐다.
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