DGIST 유종성 교수팀, 단일 공정 다기능 탄소-티타늄 복합소재 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 유종성 교수 연구팀이 리튬-황(Li-S) 전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 전극 소재를 개발하는 데 성공했다. 연구는 티타늄일산화물(TiO) 나노입자와 질소(N)를 포함한 벌집 구조의 고흑연화 다공성 탄소(TiO-NGPC)를 하나의 공정(마그네슘 환원법)으로 간단하게 제조한 것이 핵심 성과다.

리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지보다 에너지 저장 용량이 높고 가벼워 차세대 고용량 배터리로 주목받고 있다. 그러나 황은 전기가 잘 통하지 않고, 충·방전 과정에서 생성되는 '리튬 폴리설파이드' 물질이 전해질로 새어 나가 전지 성능을 떨어뜨리는 문제가 있어 상용화에 어려움이 있었다.

이런 문제를 해결하기 위해 황을 단단히 붙잡아두고 전기 전달이 잘 되는 다공성(구멍이 많은) 탄소 구조가 필요하다. DGIST연구팀이 개발한 TiO-NGPC 소재는 탄소 구조가 벌집처럼 다공성이면서도 높은 전기전도성을 가지고 있어 황을 안정적으로 보관하고 전하 전달을 원활하게 하는 역할을 한다.

이 소재는 극성(Polar) 성질을 가진 티타늄일산화물(TiO)과 질소(N)가 함께 포함돼 있어, 전지 반응 중 생성되는 극성 리튬 폴리설파이드 물질을 강하게 붙잡아두는 흡착 능력이 뛰어나다. 더불어 반응을 빠르게 일으키는 촉매 역할까지 수행해, 황이 새어나가지 않도록 막고 전지 반응 효율을 높여 전지의 성능과 수명을 동시에 향상시킨다.

유종성 교수는 “이번 연구는 리튬-황 전지의 고질적인 문제였던 성능 저하를 해결할 수 있는 새로운 설계 전략을 제시했다”며, “특히 다기능성을 가진 탄소 기반 호스트 소재를 단일 공정으로 제조할 수 있어, 향후 상용화 연구에도 중요한 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업(2024) 및 과학난제도전융합연구개발사업(2024)의 지원을 받아 수행됐다. DGIST 에너지공학과 유종성 교수, 홍승태 교수, Yu Bo 박사과정생(제1저자)과 상하이대학교 왕쿤펑 교수 연구팀이 참여했으며, 연구 성과는 나노소재 분야의 국제 저명 학술지 'ACS Nano'에 2025년 11월 게재됐다.