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연구팀은 금속·유기 골격체(MOF)를 활용해 리튬·황 전지의 성능과 안정성을 높이는 층간막 소재를 개발했다.
MOF는 금속 이온과 유기물이 결합해 만들어진 다공성 결정 구조체로 올해 노벨화학상 수상으로도 주목받는 소재다. 이번 연구는 단일 원자 촉매 활성 제어 기술을 리튬·황 전지에 적용한 사례다. 향후 차세대 고밀도 전지 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
리튬·황 전지는 무게당 에너지 용량이 기존 리튬이온전지보다 5배 이상 높다. 다만 충·방전 중 폴리설파이드의 셔틀 현상과 황의 낮은 전도성 때문에 성능이 저하되는 문제가 있다.
연구팀을 이를 해결하기 위해 전기 방사 기술을 활용해 MOF 기반의 질소 도핑 탄소 나노섬유를 제작했다. 이 과정에서 단일 원자의 미시적 배위 환경과 외부의 거시적 기공 네트워크를 동시에 조절하는 ‘다차원 구조 설계 전략’을 활용했다.
연구팀이 개발한 층간막은 기존 상용 분리막 대비 높은 용량 유지율과 우수한 사이클 안정성을 보였다. 장시간 반복 충·방전 후에도 안정적인 성능을 유지한다는 점도 확인했다.
이번 연구는 산업통상자원부 지원을 받아 수행했으며, 나정호·장서현 박사과정생(지능형에너지산업융합학과)이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 섬유 분야 국제 저명 학술지(Advanced Fiber Materials)에 게재됐다.
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 했다.
