한양대학교 임희대 교수팀이 차세대 리튬-황 배터리의 핵심 문제인 ‘셔틀 현상’을 근본적으로 해결할 수 있는 혁신 기술을 선보였습니다. 이번 연구는 기존의 흡착 방식과는 달리, 전기적 반발력을 이용하여 폴리설파이드의 이동을 차단하는 새로운 분리막 기술을 개발하는 데 성공했고, 이는 배터리 성능과 수명 향상에 중요한 전환점을 마련할 것으로 기대되고 있습니다.
💎 리튬-황 배터리의 도전 과제와 발전 가능성
리튬-황 전지는 황의 높은 이론 용량과 저렴한 가격, 풍부한 자원으로 인해 차세대 배터리로 큰 주목을 받고 있습니다. 그러나 충·방전 과정에서 생성되는 폴리설파이드가 전해질에 용해되어 음극으로 이동하는 ‘셔틀 현상’이 발생하며, 이로 인해 용량이 급격히 감소하고 리튬 금속이 부식되며 배터리 수명이 짧아지는 문제가 지속적으로 제기되어 왔습니다.
기존 연구들은 다공성 탄소 또는 극성 물질을 코팅하여 폴리설파이드를 흡착·포획하는 방식으로 셔틀 현상을 억제하려 했으나, 시간이 지나면 흡착 능력이 한계에 달하면서 성능이 다시 저하되는 문제가 있었습니다. 따라서 근본적인 해결책이 필요하다는 목소리가 높았으며, 이번 연구는 그 해답을 제시하는 데 큰 의미를 갖습니다.
💎 전기적 반발력 기반 분리막 기술의 혁신
연구팀은 차세대 이차원 소재인 맥신(MXene)과 특수 고분자인 베타상 PVdF를 결합하여, 분리막 표면에 강력한 음전하 전기장을 형성하는 구조를 설계하였습니다. 이를 통해 음전하를 띤 폴리설파이드가 같은 극끼리 밀어내는 원리로, 배터리 내부를 통과하지 못하게 하는 역학적 구조를 구현하였으며, 이렇게 하면 리튬 이온은 원활하게 이동하면서도 폴리설파이드의 이동을 근본적으로 차단할 수 있습니다.
이 기술은 기존의 흡착 방식을 넘어서, 폴리설파이드의 이동 자체를 전기적 반발력으로 밀어내는 새로운 개념입니다. 실험 결과, 이 분리막을 적용한 리튬-황 전지는 높은 황 로딩과 제한된 전해질 환경에서도 뛰어난 용량 유지와 안정성을 보여줍니다. 특히, 배터리 수명을 단축시키는 원인인 음극 손상과 수지상 결정(덴드라이트) 형성도 효과적으로 억제하는 것으로 확인되어, 상용화 가능성을 높이고 있습니다.
💎 연구 성과와 산업적 기대
이번 연구를 주도한 임희대 한양대 교수는 “기존의 단순 흡착 방식이 아닌 전기적 반발력을 이용한 새로운 개념을 도입하여, 리튬-황 전지의 근본적 수명 문제를 해결하는 데 성공했다”고 평가하며, “이 기술이 전기자동차와 에너지저장장치 등 실생활에 밀접한 차세대 배터리의 상용화를 앞당길 중요한 이정표가 될 것”이라고 전망했습니다.
이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받았으며, 『Advanced Energy Materials』 2026년 5월호에 온라인 게재되었습니다. 논문에는 한양대 김선주 박사과정생이 제1저자로 참여했으며, 임희대 교수는 교신저자로 이름을 올렸습니다. 이번 성과는 배터리 소재 분야의 중요한 도약이 될 것으로 기대되고 있습니다.
💎 향후 전망과 업계 시사점
이번 연구는 배터리 내부 폴리설파이드의 이동을 전기적 반발력으로 차단하는 기존 방식의 한계를 뛰어넘으며, 차세대 리튬-황 배터리의 수명과 안전성을 크게 향상시킬 것으로 보입니다. 다만, 이 기술이 상용화되기 위해서는 제조 공정의 안정성 확보와 대량 생산 단계에서의 성능 검증이 남아 있습니다. 앞으로 관련 소재의 가격 경쟁력과 내구성 개선이 병행되어야 하며, 글로벌 배터리 시장 내 경쟁력 확보를 위해 지속적인 연구개발이 요구됩니다. 따라서 이번 성과는 배터리 기술의 혁신을 이끄는 중요한 계기가 될 것으로 예상됩니다. 배터리 시장의 미래는 더욱 고도화된 기술력과 안전성을 갖춘 차세대 제품들이 주도할 것으로 보이며, 이번 연구는 그 길목에서 핵심 역할을 하리라 기대됩니다.
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