임춘한기자
아주대학교는 서성은 화학과 교수가 참여한 국제 공동 연구팀이 차세대 배터리인 리튬산소배터리의 충·방전 효율과 안정성 문제를 해결할 신산화-환원 매개체(BAC)를 개발했다고 13일 밝혔다.
아주대 공동 연구팀이 개발한 산화-환원 매개체인 BAC의 구조 및 일중항 산소와의 높은 자유 에너지 반응 경로를 보여주는 그림. BAC가 리튬산소전지 내에서 일중항 산소에 대한 안정적인 성능을 유지하는 가역 사이클을 보여준다.＜사진=아주대 제공＞
이번 연구는 활성 산소종(ROS)으로 인한 기존 매개체 분해와 과산화리튬 축적으로 인한 성능 저하 문제를 극복하는 데 초점을 맞췄다.
연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산과 실험적 접근을 결합해, 화학적으로 안정한 두 고리 이합체 구조의 BAC를 설계했다. 이 매개체는 리튬산소배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 높은 과전압을 낮추고, 리튬과산화물의 효율적 분해를 촉진해 전지의 에너지 효율을 극대화한다. 그 결과, 배터리 수명 연장과 안정성 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 1월호 '어드밴스드 머터리얼즈'에 게재돼 국제 학계의 주목을 받고 있으며, 서성은 교수 외에도 곽원진 울산과학기술원 교수와 슈밍 첸 미국 오벌린 칼리지 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 또한, 아주대 대학원 에너지시스템학과 황지원 학생(공동 제1저자)과 차세대에너지과학연구소 최명수 연구원, 대학원 에너지시스템학과 최하은 학생이 공동저자로 연구에 기여했다.
현재 상용화된 리튬이온배터리는 스마트폰, 노트북, 전기차 등 다양한 분야에 활용되고 있으나, 발화 위험과 에너지 용량 한계 등으로 인해 차세대 배터리 개발의 필요성이 대두되고 있다. 리튬산소배터리는 무게가 가볍고 에너지 밀도가 10배 이상 높아 큰 주목을 받고 있으나, 반복되는 충·방전 과정에서 발생하는 부반응이 상용화의 걸림돌로 작용해왔다.
이번 신산화-환원 매개체 개발은 이러한 한계를 극복해 리튬산소배터리의 충·방전 효율을 대폭 개선하고, 장기간 안정적인 고출력 운전을 가능하게 할 전망이다. 서성은 교수는 “우리 연구팀이 개발한 매개체는 기존의 문제점을 근본적으로 해결해 상용화의 관문을 넘을 수 있는 기틀을 마련했다”며 “이 기술은 유사한 에너지 저장 시스템 및 촉매 기술에도 적용될 수 있어 차세대 에너지 산업 전반에 파급 효과를 줄 것”이라고 설명했다.
이번 연구 성과는 정부와 산업계가 주목하는 차세대 배터리 기술 경쟁력 강화에 중요한 역할을 할 것으로 평가되며, 연구팀은 향후 실용화 가능한 배터리 셀의 장기간 사이클링 실험 등 추가 검증을 통해 기술 이전 및 상용화에 박차를 가할 계획이다.