이화여대, 차세대 리튬-산소 전지 성능 개선 촉매 개발

[이데일리 김응열 기자] 이화여대는 화학·나노과학과의 김동하 교수 연구팀이 차세대 배터리로 주목받는 리튬-산소(Li-O₂) 전지의 성능 저하 문제를 해결할 새로운 전기화학 촉매 기술을 세계 최초로 개발했다고 4일 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계적 권위의 학술지 ‘나노-마이크로 레터스’(Nano-Micro Letters, impact factor: 36.3)에 게재됐다.

김동하 이화여대 화학·나노과학과 교수. (사진=이화여대)

리튬-산소 전지는 공기 중 산소를 이용해 전기화학 반응을 일으켜 전기를 저장하는 원리로 작동한다. 이 전지는 무게 1kg당 약 3.5킬로와트시(kWh)의 전기를 저장할 수 있으며 기존 리튬이온 배터리보다 이론적으로 10배 이상 높은 에너지 밀도를 갖는다. 그러나 전지 작동 중 ’일중항 산소‘라는 활성 산소가 발생해 전해질과 전극 소재를 손상시키고 수명을 단축시키는 한계가 있어 상용화에 어려움을 겪어 왔다.

김동하 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 특별한 나선형 구조(키랄 구조)를 갖는 산화 코발트 나노시트를 전극 촉매로 설계했다. 실험 결과 새로 개발한 전극은 기존 탄소 전극과 비교해 방전과 충전 과정에서 일중항 산소 발생량이 각각 3.7배, 3.23배 줄어든 것으로 나타났다.

김 교수는 “전기화학, 스핀 과학, 그리고 차세대 에너지 저장 기술이 융합된 새로운 리튬-산소 배터리 설계의 패러다임을 제시했다”며 “지속가능한 고에너지 밀도 이차전지 개발에서 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과를 담은 논문 ‘리튬-산소 배터리의 일중항 산소 억제 메커니즘 규명 연구’(Chirality-Induced Suppression of Singlet Oxygen in Lithium-Oxygen Batteries with Extended Cycle Life)는 한국연구재단 자율운영중점연구소 사업 및 기초과학연구원 기초과학연구역량강화사업(국가연구시설장비진흥센터)의 지원으로 수행됐다. 연구에는 영국 링컨대학교의 필리페 마르케스 모타 교수와 한정우·강기석 서울대 교수, 문주호 연세대 교수가 공동 교신저자로 참여했다.