UNIST, 인체 항산화작용을 이차전지 촉매에 적용
"다양한 고용량 전지 성능 향상 기대"

배터리의 수명을 줄이는 '활성산소'를 잡을 방법이 제시됐다.

UNIST(총장 정무영)는 송현곤·곽상규 교수 연구팀이 생체 반응을 모방해 리튬-공기전지의 수명을 늘릴 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.
리튬-공기전지는 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 3~5배 높은 차세대 배터리다. 리튬-공기전지의 양극에서 일어나는 반응에는 산소(O)가 관여한다. 문제는 전기가 방출되면서 발생하는 활성산소(O₂⁻)다. 반응성이 높고 불안정한 활성산소는 다양한 반응을 일으켜 배터리 전체 용량과 수명을 단축한다.

연구팀은 우리 몸이 활성산소를 제거하는 과정에서 이 문제의 해결책을 찾았다. 인체에는 활성산소를 제거하는 항산화 효소(SOD)가 있다. 이 효소는 반응성 높은 활성산소를 과산화 이온(O₂²⁻)과 산소(O₂)로 전환한다.

연구팀은 항산화 효소의 원리를 모방해 촉매(SODm) MA-C60을 만들고 이를 리튬-공기전지의 양극(공기극)에 적용했다. 그 결과, 촉매가 활성산소를 과산화 이온과 산소로 바꿨다. 활성산소가 분해돼 나온 물질들은 도넛 형태인 리튬과산화물(Li₂O₂)을 많이 만들어내면서 전지 효율은 올라갔다. 

연구팀은 계산화학을 통해 SODm 촉매 첨가 여부에 따른 반응 경로를 예상했다. SODm(MA-C60)을 첨가한 경우(붉은색 그래프) 대조군(검은색 그래프) 보다 리튬과산화물과 산소를 발생하는 반응에 필요한 에너지가 낮다. <그림=UNIST 제공>
연구팀은 계산화학을 통해 SODm 촉매 첨가 여부에 따른 반응 경로를 예상했다. SODm(MA-C60)을 첨가한 경우(붉은색 그래프) 대조군(검은색 그래프) 보다 리튬과산화물과 산소를 발생하는 반응에 필요한 에너지가 낮다. <그림=UNIST 제공>
제1저자인 황치현 UNIST 연구조교수는 "인체 내에서 일어나는 활성산소 제거 메커니즘을 배터리에 적용한 새로운 시도"라며 "용량이 크고 안정성이 높으며 수명도 늘어난  리튬-공기전지를 개발하는 데 활용될 수 있다"고 말했다.
송현곤 교수는 "이번 연구는 리튬-공기전지뿐 아니라 활성산소로 인해 부반응이 생기는 다양한 고용량 전지의 전기화학적 특성을 높이는 데 도움이 될 것"이라고 내다봤다.
연구 결과는 에이씨에스 나노(ACS nano) 7월 18일 자에 실렸다. 논문명은 'Biomimetic Superoxide Disproportionation Catalyst for Anti-Aging Lithium-Oxygen Batteries'다.
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