전남대 박찬진 교수팀

전남대학교 공과대학 신소재공학부 박찬진 교수 연구팀이 차세대 에너지 저장 장치로 주목받는 ‘나트륨-황(Na-S) 전지’의 수명과 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 핵심 촉매 기술을 개발했다.

이번 성과는 나트륨-황 전지의 고질적인 문제였던 느린 반응 속도와 셔틀 효과(Shuttle effect)를 코발트(Co) 단원자와 나노입자의 시너지 효과를 통해 해결했다는 데 큰 의미가 있다.

리튬이온전지를 대체할 유력한 후보인 나트륨-황 전지는 원료인 나트륨과 황이 지구상에 풍부하고 가격이 저렴해, 대용량 에너지저장장치(ESS)는 물론 높은 에너지 밀도가 요구되는 드론, 전기차 등 다양한 분야에 폭넓게 적용될 차세대 기술로 평가받는다.

하지만 충·방전 과정에서 생성되는 다황화물이 전해질로 녹아나오는 ‘셔틀 효과’로 인해 배터리 수명이 급격히 줄어들고, 반응 속도가 느려 상용화에 어려움이 있었다.

박 교수팀은 질소가 도핑된 다공성 탄소 소재에 ‘코발트 단원자(Single Atoms)’와 ‘코발트 나노입자(Nanoparticles)’를 동시에 내장하는 하이브리드 촉매 전략을 고안했다.

연구팀은 코발트 단원자가 다황화물을 강력하게 흡착하여 셔틀 효과를 억제하고 초기 변환 반응을 돕는 동안, 코발트 나노입자는 전자의 이동 통로 역할을 하여 전체적인 반응 속도를 높이는 시너지 효과를 냄을 입증했다.

개발된 촉매는 기존 대비 4~6배 높은 반응성을 보이며, 배터리 성능 저하의 주범인 ‘셔틀 효과’를 4배 이상 억제했다.

그 결과, 5C의 초고속 충전 시에도 우수한 용량(540 mAh/g)을 유지했으며, 1,000회 충·방전 후에도 회당 용량 감소율이 0.01%에 불과할 정도로 압도적인 수명 안정성을 입증했다.

이번 연구 성과는 화공·소재 분야의 권위지인 Chemical Engineering Journal (논문 영향력 지수=13.2)에 1월 게재됐으며, 박찬진 교수가 교신저자로 참여했다.

논문 제목: Synergistic catalysis of cobalt single atoms and nanoparticles enabling stable and high-performance sodium-sulfur batteries

박찬진 교수는 “이번 연구는 가격 경쟁력이 뛰어난 나트륨-황 전지가 ESS는 물론 드론과 같은 미래 모빌리티 분야 등에서 상용화되는 데 기여할 수 있는 원천 기술이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단(NRF) 중견연구사업 등의 지원으로 수행됐다.