▲ 원자 수준 결함 제어(백금 치환과 셀레늄 원자 구멍)가 도입되면 2차원 금속성 WSe2 소재 기저면이 활성화된다. 이후 첫 방전 과정에서 형성된 산화물 중간체의 높은 촉매 반응성과 금속성 소재 특유의 높은 전기전도성이 시너지를 일으켜 효율적이며 안정적으로 충·방전 사이클을 유지한다.

국내 연구진이 원자 수준의 결함 제어를 통해 활성 없던 2차원 소재의 기저면을 활용할 수 있는 기술을 개발해 배터리, 연료전지, 수전해 등 산업 경쟁력 강화에 기여할 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한물성소재연구센터 정소희 박사 연구팀과 고등기술연구원(IAE, 원장 김진균) 신소재공정센터 이광희 박사 연구팀은 공동 연구를 통해 2차원 나노소재 ‘이셀레늄화텅스텐(WSe₂)’의 표면 활성을 극대화하는 촉매 기술을 개발해 리튬공기전기의 성능과 내구성을 동시에 향상시키는 데 성공했다고 4일 밝혔다.

리튬공기전지는 공기 중의 산소를 양극물질로 사용해 리튬과 반응시켜 에너지를 만드는 배터리로, 기존 리튬이온전지 대비 10배 이상 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 전기차 주행거리를 획기적으로 늘릴 기술로 평가된다. 그러나 충·방전 과정에서 산소반응을 촉진하는 촉매 활성 부위가 제한적이어서 반응 속도가 느리고 수명이 짧다는 점이 상용화의 걸림돌로 작용했다.

이에 연구팀은 2차원 나노소재인 WSe₂의 층상 구조에 백금(Pt) 원자를 치환 도입하는 전략을 활용해, 표면에 셀레늄(Se) 원자가 빠져나간 ‘원자 수준 결함(vacancy)’을 의도적으로 형성함으로써 그동안 화학적으로 반응에 거의 참여하지 못했던 2차원 소재의 ‘기저면’ 전체를 활성 촉매 부위로 전환시켰다.

원자 수준 결함은 산소 분자를 강하게 흡착·활성화하는 핵심 반응 거점으로 작용, 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)의 반응 속도를 크게 향상시켰다. 특히 전도도 저하 없이 기저면을 전면적 활성 부위로 전환함으로써, 2차원 소재의 활용도를 극대화했다는 점에서 기술적 의의가 크다.

해당 촉매를 적용한 리튬공기전지는 빠른 충·방전 조건에서도 550회 이상의 안정적인 수명을 기록했다. 또한 다양한 충·방전 속도 조건에서 기존 고가 상용 촉매인 백금 및 산화루테늄(RuO₂) 대비 우수한 안정성과 내구성을 입증했다.

이번 성과는 2차원 소재의 구조적 한계를 넘어, 소재 전체를 촉매 활성 부위로 활용하는 새로운 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 리튬공기전지를 비롯해 수전해, 연료전지 등 고성능 촉매가 필요한 에너지 분야에서도 비용 절감과 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다.

특히 국내 연구진이 주도하고 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)가 참여해 연구 신뢰도와 글로벌 경쟁력을 높였다. 연구팀은 향후 기술 이전과 상용화 연구를 통해 국내 리튬공기전지 기술 경쟁력 강화를 추진할 계획이다.

KIST 정소희 박사는 “이번 연구는 2차원 소재의 구조적 장점을 유지하면서, 그동안 활용하지 못했던 기저면을 활용할 수 있는 원자 수준 제어 전략을 제시했다는 데 의의가 있다”고 밝혔다.

IAE 이광희 박사는 “리튬공기전지의 난제였던 급속 충·방전 성능을 획기적으로 확보해, 고출력 모빌리티 전원 시스템의 상용화 시기를 앞당길 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘Materials Science and Engineering: R: Reports’(IF 26.8, JCR 분야 2.2%) 최신 호에 게재됐다.