아주대학교(총장 최기주)는 서성은 화학과 교수가 참여한 국제 공동 연구팀이 리튬산소배터리의 성능 저하 문제를 해결할 수 있는 새로운 산화-환원 매개체를 개발했다고 22일 밝혔다.
이 연구는 활성 산소종으로 인한 배터리 성능 저하를 극복하고 충·방전 효율을 높이는 데 중점을 뒀다.
이번 연구에는 아주대 서성은 교수와 울산과학기술원(UNIST) 곽원진 교수, 미국 오벌린 칼리지 슈밍 첸 교수가 공동 교신저자로 참여했으며, 아주대 대학원 에너지시스템학과 황지원 학생(석사과정)이 공동 제1저자로 이름을 올렸다. 또 차세대에너지과학연구소 최명수 연구원과 최하은 학생(석박사 통합과정)도 공동저자로 기여했다.
리튬산소배터리는 기존 리튬이온배터리에 비해 에너지 밀도가 10배 이상 높고 무게가 가벼워 차세대 배터리로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 발생하는 과산화리튬(Li₂O₂)이 공기극의 기공을 막아 방전 효율을 떨어뜨리고, 높은 과전압으로 인해 충·방전 효율이 낮아지는 문제가 상용화를 가로막고 있다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 활성 산소종에 견딜 수 있는 새로운 산화-환원 매개체를 설계했다. 특히 브레트 규칙(Bredt's rule)을 적용해 두 고리가 결합된 안정적인 분자 구조를 개발했으며, 이를 통해 일중항 산소(singlet oxygen) 생성을 억제하고 화학적 안정성을 극대화했다.
이 매개체는 충·방전 과정에서 부반응을 줄이고 배터리의 에너지 효율과 안정성을 크게 향상시킨다.
서성은 교수는 “이번 연구는 리튬산소배터리 상용화를 앞당길 수 있는 중요한 기틀을 마련한 것”이라며 “새롭게 개발된 물질은 유사한 화학적 환경을 가진 다양한 에너지 저장 시스템 및 촉매 기술에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 그러면서 “자연과학의 원리를 이해하고 이를 현대 기술 문제 해결에 적용함으로써 공학적 한계를 극복할 수 있음을 보여준 사례”라고 덧붙였다.
이 논문은 화학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다.
수원=김동성 기자 estar@etnews.com
