손정인 연구팀 "귀금속 없이 성능·내구성 동시 개선"
[파이낸셜뉴스] 동국대학교는 물리학과 손정인 교수 연구팀이 리튬-산소 배터리의 수명을 떨어뜨리는 원인인 과전압과 전극 부식을 동시에 줄일 수 있는 촉매 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 귀금속 없이도 성능과 내구성을 함께 개선한 점이 특징으로, 반복 충·방전 환경에서도 전극 손상을 줄여 안정성을 확보했다.
리튬-산소 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 저장할 수 있는 에너지 양이 훨씬 커 차세대 기술로 주목받고 있다. 하지만 방전 시 발생하는 과산화리튬(Li2O2)이 전극 표면에 쌓이면 충전 시 더 많은 전력이 필요해지고 전해질 분해와 전극 부식을 가속화해 배터리의 성능과 수명이 크게 저하되는 문제가 있다.
이에 따라 연구팀은 촉매 활성이 뛰어난 니켈(Ni), 철(Fe)과 부식 저항성이 강한 크롬(Cr)으로 이뤄진 '중엔트로피 촉매'를 적용했다.
또 펄스 전기증착 공정으로 금속 이온들의 농도 편차를 완화해 원소별 조성을 균일하게 섞고 구조를 미세하게 만드는 방식으로 촉매 성능을 끌어올렸다.
이 촉매를 적용한 결과 배터리의 효율과 안정성을 저하시키는 부생성물(Li2CO3) 형성을 효과적으로 억제하고, 방전 생성물인 과산화리튬의 분해를 촉진했다. 또한, 배터리가 장기 구동할 때도 기존 촉매보다 월등한 부식 저항성을 통해 전극 열화 없이 안정적인 성능을 유지함을 입증했다.
손정인 교수는 "이번 연구는 중엔트로피 소재를 리튬-산소 배터리 촉매에 최초로 적용하면 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 강조했다. 이어 "이번 기술이 향후 고효율·장수명 차세대 리튬-산소 배터리 상용화에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다"고 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구 및 개척연구 사업의 지원으로 수행됐다.
spring@fnnews.com 이보미 기자
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