배터리 노화를 막는 촉매가 개발됐다. 이를 응용하면 배터리 수명을 늘릴 수 있다. 유니스트(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 송현곤-곽상규 교수 공동연구팀은 생체반응을 모방한 촉매를 개발해 리튬-공기전지의 성능을 높이고 수명을 늘리는 데 성공했다.

우리 몸은 활성산소를 제거하는 작용을 통해 노화를 지연시킨다. 이 원리를 배터리에 적용해 수명을 늘리는 방법이 개발된 것이다. 리튬-공기전지는 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 3~5배 높은 차세대 배터리다. 양극에서 반응에 관여하는 물질로 ‘산소(O)’를 사용해 전지 무게가 가볍고 친환경적이라는 장점이 있다. 문제는 전기를 사용하는 방전 과정에서 나오는 ‘활성산소(O₂⁻)’에 있었다. 활성산소는 반응성이 높고 불안정해 다양한 반응을 추가로 만들어 낸다. 이 영향으로 배터리 전체 용량이 떨어지며 수명도 준다.

연구팀은 이 문제 해결책을 생체 내에서 찾아냈다. 우리 몸에도 활성산소가 만들어지며 이를 제거하기 위해 항산화 효소(SOD)가 존재한다는 데서 아이디어를 얻었다. 생체 내에서 항산화 효소는 반응성 높은 활성산소를 ‘과산화 이온(O₂²⁻)’과 ‘산소(O₂)’로 바꾼다. 그 덕분에 세포들이 활성산소로부터 안전하게 지켜진다.

연구팀은 항산화 효소의 원리를 모방한 촉매(SODm)인 MA-C60을 만들고 리튬-공기전지의 양극(공기극) 쪽에 적용했다. 이 촉매는 활성산소인 초과산화 이온(O₂⁻)을 과산화 이온(O₂²⁻)과 산소(O₂)로 바꿨다. 활성산소가 일으키는 추가적인 반응을 방지한 것이다.

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 방해하는데 리튬과산화물이 도넛 형태로 만들어지면 이런 부작용이 덜해진다.

제1저자인 황치현 UNIST 에너지 및 화학공학부 연구 조교수는 “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.

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

한편 이번 연구는 재료 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS nano)’ 7월 18일 자((논문명: Biomimetic Superoxide Disproportionation Catalyst for Anti-Aging Lithium-Oxygen Batteries)에 실렸다.