COF가 리튬황 배터리의 판도를 바꾸고 있다

리튬황 배터리(LSB)는 이론 에너지 밀도 2,600Wh/kg이라는 수치만으로도 연구자들의 시선을 끌기에 충분하다. 문제는 언제나 '왜 아직 상용화가 안 됐느냐'는 질문에 있다.

핵심 원인은 폴리설파이드 셔틀 현상이다. 충방전 과정에서 생성된 리튬 폴리설파이드가 전해질에 녹아 음극으로 이동하면서 활물질 손실과 급격한 용량 저하를 일으킨다.

이 문제를 정면으로 공략하는 소재가 바로 공유결합 유기 골격체, 즉 COF(Covalent Organic Framework)다. COF는 유기 빌딩 블록을 공유결합으로 연결해 만든 다공성 결정 구조체로, 기공 크기와 표면 화학을 원자 수준에서 설계할 수 있다는 점이 결정적인 강점이다.

황 호스트로서 COF의 역할은 크게 세 가지로 정리된다. 첫째, 균일한 나노 기공 안에 황을 가두어 물리적 구속 효과를 제공한다.

둘째, 골격 내 질소·산소 등 헤테로 원자가 폴리설파이드와 화학적으로 상호작용하여 용출을 억제한다. 셋째, 높은 비표면적이 이온 및 전자...