동국대, 귀금속 없이 리튬·산소 배터리 난제 해결…중엔트로피 촉매 개발

(서울=뉴스1) 김지현 기자 = 동국대학교는 물리학과 손정인 교수 연구팀이 귀금속을 사용하지 않는 중엔트로피 촉매 소재를 개발해 리튬-산소 배터리의 과전압과 전극 부식 문제를 동시에 개선했다고 20일 밝혔다.

이날 동국대학교에 따르면 이번 연구는 차세대 리튬-산소 배터리 상용화의 핵심 과제로 꼽히는 '비귀금속 고효율 촉매' 개발을 목표로 추진됐다.

리튬-산소 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 이론적 에너지밀도가 높아 차세대 에너지 저장 기술로 주목받지만, 방전 과정에서 생성되는 과산화리튬(Li₂O₂)이 전극 표면에 축적되면서 충전 시 높은 과전압이 발생하는 한계가 있었다.

이 과정에서 전해질 분해와 전극 부식이 가속화돼 배터리 성능과 수명이 크게 저하되는 문제가 지적돼 왔다.

연구팀은 촉매 활성이 높은 니켈(Ni)·철(Fe)과 내식성이 강한 크롬(Cr)을 결합한 중엔트로피 촉매를 설계하고, 펄스 전기증착 공정을 통해 금속 이온의 조성을 균일화하면서 나노 구조로 구현했다. 이를 통해 금속 간 시너지 효과를 극대화했다는 설명이다.

실험 결과 개발된 촉매는 부생성물인 탄산리튬(Li₂CO₃) 형성을 억제하고, 과산화리튬 분해를 촉진하는 것으로 나타났다. 또 장시간 구동 조건에서도 기존 촉매 대비 우수한 내식성을 유지해 전극 열화 없이 안정적인 성능을 보였다.

손 교수는 "중엔트로피 소재를 리튬-산소 배터리 촉매에 적용해 높은 촉매 활성과 내부식성을 동시에 확보한 사례"라며 "귀금속이나 복잡한 공정 없이도 성능을 확보했다는 점에서 의미가 있다"고 밝혔다. 이어 "차세대 리튬-산소 배터리 상용화에 중요한 전환점이 될 것"이라고 덧붙였다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구 및 개척연구 사업의 지원을 받아 수행됐다.

mine124@news1.kr