곽상규·송현곤 교수 공동연구팀
활성산소 영향 줄이는 촉매 개발
UNIST(총장 정무영)는 에너지 및 화학공학부 곽상규·송현곤 교수 공동연구팀이 생체반응을 모방한 촉매를 개발해 리튬-공기전지의 성능을 높이고 수명을 늘리는 데 성공했다고 8일 밝혔다.
리튬-공기전지는 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 3~5배 높은 차세대 배터리다.
양극에서 반응에 관여하는 물질로 산소를 사용해 전지 무게가 가볍고 친환경적이라는 큰 장점이 있지만, 전기를 사용하는 방전 과정에서 나오는 활성산소의 영향으로 배터리 전체 용량이 떨어지고 수명도 줄어드는 단점이 있었다.
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(O₂²⁻)과 산소(O₂)로 바꾼다(불균등화 반응). 그 덕분에 세포들이 활성산소로부터 안전하게 지켜진다.
연구팀은 항산화 효소의 원리를 모방한 촉매(SODm)인 MA-C60을 만들고, 리튬-공기전지의 양극(공기극) 쪽에 적용했다.
그 결과 촉매는 활성산소인 초과산화 이온(O₂⁻)을 과산화 이온(O₂²⁻)과 산소(O₂)로 바꿔 활성산소가 일으키는 추가적인 반응을 방지했다.
또 활성산소가 분해돼 나온 물질들은 도넛 형태의 리튬과산화물(Li₂O₂) 형성을 촉진해 전지의 효율을 높였다.
연구팀은 계산화학을 통해 항산화 효소 모방 촉매(SODm)가 우수한 성능을 보인 원인을 이론적으로 규명했다.
연구팀에 따르면 이 촉매가 활성산소를 잘 흡착해 활성산소를 제거하면서 전극 표면에서 일어나는 부반응 가능성 줄이고 불균등화 반응에 필요한 에너지를 감소시키는데, 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.
송 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 삼성 미래육성기술사업의 지원으로 이뤄졌으며 재료 분야의 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS nano)에 실렸다.
ulsan@fnnews.com 최수상 기자
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