▲ 리튬공기전지 시스템에서 예상되는 SODm(MA-C60)의 불균등화 반응 메커니즘

우리 몸은 활성산소를 제거하는 작용을 통해 노화를 지연시킨다. 이 원리를 배터리에 적용해 수명을 늘리는 방법이 개발됐다.

UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 송현곤-곽상규 교수 공동연구팀은 생체반응을 모방한 촉매를 개발해, 리튬-공기전지의 성능을 높이고 수명을 늘리는 데 성공했다.

리튬-공기전지는 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 3∼5배 높은 차세대 배터리다. 양극에서 반응에 관여하는 물질로 ‘산소(O)’를 사용해 전지 무게가 가볍고 친환경적이라는 큰 장점이 있다.

반면에 전기를 사용하는 방전 과정에서 나오는 ‘활성산소’가 문제를 일으켰다. 활성산소는 반응성이 높고 불안정해 다양한 반응을 추가로 만들어내기 때문이다. 그 영향으로 배터리 전체 용량이 떨어지며 수명도 준다.

연구진은 이 문제의 해결책을 생체 내에서 찾아냈다. 우리 몸에도 활성산소가 만들어지며, 이를 제거하기 위해 항산화 효소(SOD)가 존재한다는 데서 아이디어를 얻은 것이다. 생체 내에서 항산화 효소는 반응성 높은 활성산소를 ‘과산화 이온’과 ‘산소(O₂)’로 바꾼다(불균등화 반응). 그 덕분에 세포들이 활성산소로부터 안전하게 지켜진다.

연구진은 항산화 효소의 원리를 모방한 촉매(SODm)인 MA-C60을 만들고, 리튬-공기전지의 양극(공기극) 쪽에 적용했다. 이 촉매는 활성산소인 초과산화 이온을 과산화 이온과 산소(O₂)로 바꿨다. 활성산소가 일으키는 추가적인 반응을 방지한 것이다.

또한 활성산소가 분해돼 나온 물질들은 도넛 형태의 리튬과산화물(Li₂O₂) 형성을 촉진해 전지의 효율을 높였다. 양극 표면에 얇은 막 형태로 만들어지는 리튬과산화물은 산소(O)와 전자(electron)의 전달을 방해하지만, 리튬과산화물이 도넛 형태로 만들어지면 이런 부작용이 덜해진다.

제1저자인 황치현 UNIST 에너지 및 화학공학부 연구조교수는 “인체 내에서 일어나는 활성산소 제거 메커니즘을 배터리에 적용한 새로운 시도”라며 “활성산소를 안정적이고 빠르게 리튬과산화물로 전환해 용량이 크고 안정성이 높으며 수명도 늘어난 리튬-공기전지 개발에 활용될 것”이라고 전했다.

곽상규 교수 연구팀은 계산화학을 통해 항산화 효소 모방 촉매(SODm)가 우수한 성능을 보인 원인을 이론적으로 규명했다. 이 촉매가 활성산소를 잘 흡착해 활성산소를 제거하면서 전극 표면에서 일어나는 부반응 가능성 줄이고, 불균등화 반응에 필요한 에너지를 감소시키는 것이다. 그 결과 리튬과산화물을 형성하는 용액상 반응을 촉진할 수 있다. 이 원리는 향후 다양한 항산화 효소 모방 촉매(SODm)를 설계해 고성능 리튬-공기전지를 개발하는 데 기여할 전망이다.

송현곤 교수는 “이번 연구는 리튬-공기전지뿐 아니라 활성산소에 의해 부반응을 일으키는 다양한 고용량 전지의 전기화학적 특성을 향상시키는 데 많은 도움이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 재료 분야의 저명한 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS nano)’에 7월18일자로 공개됐다. 연구 수행은 삼성 미래육성기술사업의 지원으로 이뤄졌으며, 항산화 효소 모방 촉매의 매커니즘 분석에는 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 슈퍼컴퓨터 5호기 누리온이 활용됐다.