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한양대 화학공학과 임희대 교수가 중앙대 융합공학부 박해선 교수, 한국전기연구원 박준우 박사와 함께 리튬–황 전지의 고질적인 문제로 꼽혀온 '셔틀 현상'을 효과적으로 억제할 수 있는 '전기적 반발 기반 분리막' 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 단순 흡착에 의존하던 기존 분리막 전략에서 벗어나, 전기적 반발력을 이용해 폴리설파이드 이동 자체를 근본적으로 차단했다는 점에서 학계의 주목을 받고 있다.

리튬–황 전지는 황의 높은 이론 용량과 낮은 가격, 풍부한 자원량 덕분에 유망한 차세대 전지로 주목받고 있다. 그러나 충/방전 과정에서 생성되는 리튬 폴리설파이드가 전해질에 용해돼 음극으로 이동하는 '셔틀 현상'이 발생하며, 이는 급격한 용량 감소와 리튬 금속 부식, 낮은 수명 안정성을 유발해 상용화의 핵심 장애물로 지적돼 왔다.

그동안 학계에서는 이 같은 셔틀 현상을 막기 위해 분리막에 다공성 탄소나 극성 물질을 코팅해 폴리설파이드를 흡착/포획하는 방식을 주로 연구해 왔다. 하지만 시간이 지나면 흡착 능력이 포화돼 배터리 성능이 다시 저하되는 한계가 명확했다. 이에 공동 연구팀은 '잡아두는' 단순 흡착 방식에서 벗어나, 전기적 반발력을 이용해 폴리설파이드의 이동 자체를 근본적으로 밀어내고 차단하는 전혀 새로운 개념의 분리막 기술을 완성했다.

연구팀은 차세대 이차원 소재인 맥신(MXene)과 특수 고분자 소재(베타 상 PVdF)를 결합해 분리막 표면에 강력한 음전하 전기장을 형성했다. 이를 통해 음전하를 띠는 리튬 폴리설파이드가 같은 극끼리 밀어내는 원리로 분리막을 통과하지 못하게 만드는 구조다. 배터리 작동에 필요한 리튬 이온은 원활히 통과시키면서도, 수명 저하를 유발하는 물질은 문지기처럼 밀어내는 방식이다. 실험 결과, 이 새로운 분리막을 적용한 리튬-황 전지는 고황 로딩 및 제한된 전해질 환경 속에서도 오랜 충/방전을 반복하는 동안 높은 용량을 안정적으로 유지했다. 특히 기존 배터리의 수명을 단축시키는 주요 원인이었던 음극 손상과 수지상 결정(덴드라이트)의 형성도 효과적으로 억제되는 것으로 확인됐다.

연구를 주도한 임희대 교수는 “이번 연구는 기존의 단순 흡착 방식이 아닌 ‘전기적 반발’이라는 완전히 새로운 개념을 도입해 리튬–황 전지의 고질적인 수명 문제를 해결했다는 데 의의가 있다”며 “전기자동차와 에너지저장장치 등 실생활과 밀접한 분야의 차세대 배터리 상용화를 앞당길 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다”고 강조했다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 에너지 소재 분야 국제 학술지 'Advanced Energy Materials' 2026년 5월호에 온라인 게재됐다. 해당 논문 'Fluorine-Aligned Electrostatic Gatekeepers Regulating Polysulfide Migration for Stable Lithium–Sulfur Batteries'에는 김선주 한양대 박사과정생이 제1저자로, 임희대 교수가 교신저자로 참여했다.

논문: https://doi.org/10.1002/aenm.71086
기사: https://www.joongang.co.kr/article/25433280