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현재 상용화된 리튬이온배터리는 스마트폰·태블릿·노트북··전기차·하이브리드차 등에 활용되고 있다. 다만 발화·폭발 가능성이 상존하고 에너지 용량에서도 한계가 있어 △전고체리튬이차배터리 △리튬황배터리 △리튬산소배터리 등 차세대 배터리에 관심이 높은 상황이다.
이 가운데 리튬산소배터리는 음극재로 리튬을, 양극재로 공기를 이용한다. 기존의 리튬이온배터리와 작동 구조가 비슷하지만, 무게가 가볍고 10배 이상 높은 에너지 밀도를 갖고 있어 충전 후 더 오래 사용할 수 있다. 특히 양극재로 산소를 사용하기에 외부 공기를 통해 산소를 계속 보충할 수 있는 점도 장점으로 꼽힌다.
다만 리튬산소배터리는 충·방전이 반복될수록 방전 과정 중 생성된 과산화리튬(Li2O2)이 공기극의 기공을 막아 실제 반응 가능 면적이 감소하고, 이로 인해 방전 효율이 저하되는 문제점이 있다. 충전 과정에선 과산화리튬을 분해하면서 높은 과전압이 발생, 충·방전 효율이 낮아지는데 이 점도 상용화를 어렵게 하는 요소다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 산화·환원 매개체를 활용했다. 이는 스스로 산화·환원하며 과산화리튬을 분해하는 매개체로 과전압을 낮추고 리튬과산화물의 효율적 분해를 촉진할 수 있다. 충·방전 과정에서의 부반응을 줄이고 전지 에너지 효율·안정성을 향상시킬 수 있는 것이다.
아주대는 “공동 연구팀은 밀도범함수이론 계산과 실험적 접근을 결합한 합리적인 분자 설계를 통해 일중항 산소 생성을 억제하면서 화학적으로 안정적인 산화·환원 매개체를 개발했다”고 설명했다.
이번 연구에는 서 교수와 곽원진 울산과학기술원 교수, 슈밍 첸(Shuming Chen) 미국 오벌린칼리지 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 아주대 대학원 에너지시스템학과 황지원 학생은 공동 제1 저자(석사과정)를, 아주대 차세대에너지과학연구소 최명수 연구원·대학원 에너지시스템학과 최하은 학생(석박사 통합과정)은 공동 저자를 맡았다.
서성은 교수는 “차세대 배터리인 리튬산소배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 여러 문제를 해결함으로써, 상용화를 앞당길 수 있는 기틀을 마련한 셈”이라며 “이번에 개발한 활성 산소종에 의한 기능 저하에서 자유로운 물질은 다양한 에너지 저장 시스템과 촉매 기술에 적용될 수 있을 것”이라고 기대했다.
서 교수는 이어 “이번 성과는 자연과학의 깊은 이해와 그 이론의 실제 적용을 통해 기초과학 원리가 문제 해결에 어떻게 직접적으로 기여할 수 있는지를 보여주는 예”라며 “자연과학과 공학이 밀접하게 상호 보완적으로 발전할 수 있음을 시사하는 것”이라고 덧붙였다.
