동국대 손정인 교수팀, 차세대 '리튬-산소 배터리' 상용화 물꼬 … 고효율·장수명 촉매 개발

동국대학교는 물리학과 손정인 교수 연구팀이 전이금속 기반 중엔트로피(여러 금속을 균형 있게 섞어 성능을 높인 합금) 촉매 소재를 개발해 리튬–산소 배터리(LOB)의 난제인 높은 과전압과 반복 충·방전에 따른 전극 부식 문제를 동시에 개선했다고 21일 밝혔다.

새로운 촉매 설계로 차세대 배터리의 충전 효율과 내구성 문제를 해결해 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

리튬–산소 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 이론적 에너지밀도가 매우 높아 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 하지만 방전 시 발생하는 과산화리튬(Li₂O₂)이 전극 표면에 쌓이면 충전 시 큰 과전압이 발생하고, 전해질 분해와 전극 부식을 가속해 배터리 성능과 수명이 크게 떨어지는 문제가 있다. 이에 과산화리튬을 효과적으로 분해하고 전극 부식을 억제할 수 있는 고활성·고내구성 촉매 개발의 필요성이 제기돼 왔다.

연구팀은 촉매 활성이 뛰어난 니켈(Ni), 철(Fe)과 부식 저항성이 강한 크롬(Cr)으로 이뤄진 중엔트로피 촉매 소재의 새로운 설계 방안을 제시했다. 간편한 펄스 전기증착 공정으로 각 금속 이온의 농도 편차를 완화해 원소별 조성을 균일화하고 촉매를 나노화하면서 금속 간 시너지 효과를 극대화하는 중엔트로피 촉매 소재 합성 기술을 확보했다.

개발된 촉매는 배터리의 효율과 안정성을 떨어뜨리는 탄산리튬(Li₂CO₃) 형성을 효과적으로 억제하고, 방전 생성물인 과산화리튬의 분해를 촉진했다. 배터리가 장기 구동할 때도 기존 촉매보다 월등한 부식 저항성을 통해 전극 열화 없이 안정적인 성능을 유지했다. 500㎃ g⁻¹ 전류 밀도(배터리 소재 1g당 500㎃의 전류로 충·방전하는 조건)에서 500㎃h g⁻¹의 고정 용량으로 83.9%의 높은 에너지 효율을 달성하고, 200회 이상의 안정적인 사이클링 성능을 유지했다.

손정인 교수는 “이번 연구는 중엔트로피 소재를 리튬-산소 배터리 촉매에 최초로 적용해 높은 촉매 활성과 우수한 내부식성을 동시에 달성할 수 있음을 입증한 것”이라며 “기존에는 비싼 귀금속과 복잡한 공정에 의존했지만, 중엔트로피 소재와 간편한 펄스 전기증착 공정만으로 촉매 개발의 기술적 한계를 극복했다”고 설명했다.

이번 연구 결과는 재료 과학 분야의 세계적 권위지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials·첨단 기능성 소재)' 4월호 커버로 게재됐다. 이건범 석박통합과정생이 제1저자, 손 교수가 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구와 개척연구 사업의 지원으로 수행됐다.