아주대 국제 공동 연구팀, 차세대 배터리 성능 개선 '산화-환원 매개체' 개발

고에너지·산소 활용 리튬산소배터리의 충·방전 효율 ↑

'어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)' 1월호 게재

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.ⓒ아주대 제공

아주대 연구팀이 참여한 국제 연구팀이 차세대 배터리인 리튬산소배터리의 효율과 안정성 문제를 해결할 새로운 산화-환원 매개체를 개발했다. 배터리의 성능 저하를 효과적으로 억제함으로써 수명 연장 및 성능 개선에 기여할 수 있을 것으로 보인다.

10일 아주대학교는 서성은 화학과 교수가 참여한 국제 공동 연구팀이 활성 산소종으로 인한 리튬산소배터리의 성능 저하를 해결할 수 있는 새로운 산화-환원 매개체를 개발했다고 밝혔다.

현재 상용화돼 널리 쓰이고 있는 리튬이온배터리는 스마트폰과 태블릿, 노트북, 웨어러블 디바이스 뿐 아니라 전기차나 하이브리드차에 활용되고 있다. 하지만 발화 및 폭발과 같은 안정성이나 에너지 용량의 한계 때문에 차세대 배터리 개발에 대한 관심이 높다. △전고체 리튬이차배터리 △리튬황배터리 그리고 △리튬산소배터리가 최근 활발히 연구되고 있는 차세대 배터리다.

리튬산소배터리(Lithium–Oxygen Batteries)는 리튬공기배터리(Lithium–Air Battery)로도 불리는 차세대 배터리로 음극재로, 리튬을 양극재로 공기를 이용한다. 기존에 널리 이용돼 온 리튬이온배터리와 작동 구조가 비슷하지만, 무게가 가볍고 10배 이상 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 충전 후 더 오랜 시간 사용이 가능하다. 또한 양극재로 산소를 사용하기 때문에, 외부 공기를 통해 산소를 계속 보충할 수 있는 장점이 있다.

그러나 리튬산소배터리는 충·방전이 반복될수록 방전 과정 중 생성된 과산화리튬(Li2O2)이 공기극의 기공을 막아 실제 반응 가능 면적이 감소하고, 이로 인해 방전 효율이 저하되는 문제가 발생한다. 또한 충전 과정에서 과산화리튬을 분해하면서 발생하는 높은 과전압으로 인해 충·방전 효율이 낮아지는 것도 상용화를 어렵게 하는 요소로 작용하고 있다. 충·방전의 효율 저하는 리튬산소배터리의 상용화를 위해 해결돼야 할 가장 중요한 과제 중 하나다.

이러한 문제를 해결하기 위해 스스로 산화·환원하며 과산화리튬을 분해하는 산화-환원 매개체(Redox mediator, RM)를 사용하면 높은 과전압을 낮추고, 리튬과산화물의 효율적 분해를 촉진할 수 있다. 충·방전 과정에서의 부반응을 줄이고 전지의 에너지 효율과 안정성을 향상시킬 수 있는 것이다. 하지만 리튬산소배터리의 충·방전 과정에서 매우 반응성이 높은 일중항 산소 와 같은 활성 산소종이 생성되며, 이로 인해 기존의 산화-환원 매개체가 분해되기 쉽다. 이 때문에 현재로서는 일중항 산소의 생성을 억제하면서도, 이에 의한 분해에 견딜 수 있는 산화-환원 매개체를 찾는 것이 매우 어렵다.

이에 공동 연구팀은 밀도범함수이론 계산과 실험적 접근을 결합한 합리적인 분자 설계를 통해, 일중항 산소 생성을 억제하면서 화학적으로 안정적인 두 고리 이합체 구조의 산화-환원 매개체 (7,7′-bi-7-azabicyclo[2.2.1]heptane, BAC)를 개발했다. 설계 과정 초기에 연구팀은 화학분야에서 널리 알려진 브레트 규칙(Bredt’s rule)을 적용했는데, 이는 고리화된 분자 구조 내에서 다리목(bridgehead) 위치에 이중결합이 존재하는 것이 불안정하다는 유기화학적 원칙이다.

연구팀은 한계에 봉착한 공학적 문제 해결방식에서 벗어나 기초과학의 원리를 이해하고 적용하는 것으로부터 시작했다. 이를 통해 분자의 화학적 안정성을 극대화하고, 일중항 산소에 대한 저항성을 높이는 새로운 산화-환원 매개체를 개발할 수 있었다.

서성은 아주대 교수는 "차세대 배터리인 리튬산소배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 여러 문제를 해결함으로써, 상용화를 앞당길 수 있는 기틀을 마련한 셈"이라며 "이번에 개발한 활성 산소종에 의한 기능 저하에서 자유로운 물질은 유사한 화학적 환경을 가진 다양한 에너지 저장 시스템 및 촉매 기술에 적용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이어 "이번 성과는 자연과학의 깊은 이해와 그 이론의 실제 적용을 통해, 기초과학 원리가 현대 기술의 문제 해결에 어떻게 직접적으로 기여할 수 있는지를 보여주는 예"라며 "자연과학과 공학이 밀접하게 상호 보완적으로 발전할 수 있음을 시사하는 것"이라고 덧붙였다.

해당 연구는 '리튬산소배터리에서 활성 산소종에 대한 내성을 갖는 산화-환원 매개체(Reactive Oxygen Species Resistive Redox Mediator in Lithium–Oxygen Batteries)'라는 제목으로 화학 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)' 1월호에 온라인 게재됐다.

아주대 서성은 교수(화학과)와 울산과학기술원(UNIST) 곽원진 교수, 미국 오벌린 칼리지(Oberlin College) 슈밍 첸(Shuming Chen) 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 아주대 대학원 에너지시스템학과 황지원 학생은 공동 제1저자(석사과정)로, 아주대 차세대에너지과학연구소 최명수 연구원·대학원 에너지시스템학과 최하은 학생(석박사 통합과정)은 공동저자로 함께 했다.