리튬공기배터리 수명·에너지 효율 높이는 매개체 개발

[투데이에너지 장재진 기자]

리튬공기배터리는 음극으로 리튬을 사용하고 양극의 활물질로 공기 중의 산소를 이용하는 전지 시스템으로 기존 리튬이온배터리보다 최대 용량이 5배 높다. 이 배터리는 전기차 주행거리를 기존보다 2배 이상 늘릴 수 있을 것으로 기대되며 공기를 사용해 가벼운 장점이 있다.

최근 UNIST의 곽원진 교수팀은 아주대 화학과 서성은 교수팀, 미국 오벌린대학교 슈밍첸 교수팀과 공동으로 리튬공기배터리용 산화환원 매개체를 개발했다. 이 매개체는 전지 전해액 무게의 5%만 차지하지만, 리튬공기배터리의 에너지 효율과 수명을 결정짓는 중요한 역할을 핟다.

리튬공기배터리는 높은 전압을 걸어야 충전이 가능한데, 산화환원 매개체는 이 전압을 낮추어 에너지 효율을 높이고 과부하를 줄여 수명을 연장시킨다. 연구팀은 활성산소와 잘 반응하지 않는 산화환원 매개체를 개발하여 배터리의 충전 전압을 일중항산소 노출 전후에 3.5V로 안정적으로 유지했다.

이현욱 연구원은 “분자의 입체 구조를 분석한 설계법을 통해 이러한 산화환원 매개체를 개발할 수 있었다”고 설명했다. 개발된 매개체인 BAC는 활성산소와의 반응성이 낮아 뛰어난 안정성과 가역성을 보여준다.

곽원진 교수는 “리튬공기배터리는 활성산소종에 의해 다양한 부반응이 나타나며, 이를 제어하는 것은 시스템 기술 수준 향상을 위해 필수적이다”라며 "이번 연구가 리튬공기배터리 기술 향상뿐만 아니라 다양한 촉매 개발에도 기여할 것"이라고 강조했다.

이번 연구는 2025년 1월 3일 세계적 국제학술지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 온라인 공개됐으며 정식 출판을 앞두고 있다. 연구는 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 진행됐다.

(논문명: Reactive Oxygen Species Resistive Redox Mediator in Lithium–Oxygen Batteries)

■용어  설명

ㆍ산화환원 매개체 (redox mediator)=리튬공기전지 충전에서 방전생성물의 분해를 촉진하는 물질. 이 때의 반응으로 인해 충전 전압이 낮아진다.

ㆍ활성산소종 (reactive oxygen species)=일반 산소와 비교해 높은 에너지 준위를 가진 산소. 다른 유기 물질과 친핵성 반응을 쉽게 일으킨다.