전남대학교 공과대학 신소재공학부 박찬진 교수 연구팀이 차세대 에너지 저장장치로 주목받는 나트륨-황(Na-S) 전지의 고질적인 수명 저하 문제를 해결할 수 있는 핵심 촉매 기술을 개발했다.

연구팀은 나트륨-황 전지의 상용화를 가로막아 온 느린 반응 속도와 ‘셔틀 효과(Shuttle effect)’를 코발트(Co) 단원자와 나노입자를 결합한 시너지 촉매 전략으로 동시에 극복하는 데 성공했다. 

셔틀 효과는 충·방전 과정에서 생성되는 다황화물이 전해질로 용출돼 전지 성능과 수명을 급격히 저하시시키는 현상이다.

나트륨-황 전지는 원료가 풍부하고 가격이 저렴해 리튬이온전지를 대체할 차세대 배터리로 꼽힌다. 대용량 에너지저장장치(ESS)는 물론 드론, 전기차 등 고에너지 밀도가 요구되는 분야에 적용 가능성이 크지만, 낮은 반응성 및 짧은 수명 문제로 상용화에는 한계가 있었다.

박 교수팀은 질소가 도핑된 다공성 탄소 소재에 코발트 단원자와 코발트 나노입자를 동시에 도입한 하이브리드 촉매 구조를 설계했다. 

연구 결과, 코발트 단원자는 다황화물을 강하게 흡착해 셔틀 효과를 억제하고 초기 반응을 촉진했으며, 코발트 나노입자는 전자 이동 경로를 형성해 전체 반응 속도를 크게 향상시키는 역할을 수행한 것으로 나타났다.

이 촉매를 적용한 나트륨-황 전지는 기존 대비 4~6배 높은 반응성을 보였고, 셔틀 효과는 4배 이상 억제됐다. 특히 5C의 초고속 충·방전 조건에서도 540mAh/g의 우수한 용량을 유지했으며, 1,000회 충·방전 이후에도 회당 용량 감소율이 0.01%에 불과해 탁월한 수명 안정성을 입증했다.

이번 연구 성과는 화공·소재 분야 국제 학술지인 Chemical Engineering Journal(영향력 지수 13.2)에 지난 1월 게재됐으며, 박찬진 교수가 교신저자로 참여했다.

박 교수는 “가격 경쟁력이 뛰어난 나트륨-황 전지가 ESS뿐 아니라 드론과 미래 모빌리티 분야에서도 활용될 수 있는 가능성을 크게 넓힌 연구”라며 “상용화를 앞당길 수 있는 원천 기술이 될 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 중견연구사업 등의 지원을 받아 수행됐다.