울산과학기술원(UNIST)은 우리 몸이 노화를 지연시키는 원리를 적용, 리튬-공기전지 수명을 늘리는 방법을 개발했다.

11일 송현곤·곽상규 에너지 및 화학공학부 교수 공동연구팀은 생체반응을 모방한 촉매를 개발, 리튬-공기전지 성능을 높이고 수명을 늘리는 데 성공했다고 밝혔다.

리튬-공기전지는 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 3∼5배 높은 차세대 배터리다.

양극에서 반응에 관여하는 물질로 산소를 사용해 전지 무게가 가볍고 친환경적이라는 장점이 있다. 그러나 전기를 사용하는 방전 과정에서 나오는 활성산소는 문제점으로 꼽힌다. 반응성이 높고 불안정해 다양한 반응을 추가로 만드는 활성산소가 배터리 용량을 떨어뜨리고 수명도 줄이기 때문이다.

연구진은 이 문제 해결책을 우리 생체에서 찾았다. 우리 몸에서도 활성산소가 만들어지고, 이를 제거하기 위해 항산화 효소(SOD)가 존재한다는 데서 아이디어를 얻은 것이다.

생체에서 항산화 효소는 반응성 높은 활성산소를 과산화 이온과 산소로 바꾸는데, 그 덕분에 세포들이 활성산소로부터 안전하게 지켜진다.

연구진은 항산화 효소 원리를 모방한 촉매(SODm)인 MA-C60을 만들어 리튬-공기전지의 양극(공기극) 쪽에 적용했다. 이 촉매는 활성산소인 초과산화 이온을 과산화 이온과 산소로 바꿨다. 활성산소가 일으키는 추가적인 반응을 방지한 것이다.

동시에 활성산소가 분해돼 생성된 물질들은 도넛 형태의 리튬과산화물(Li₂O₂) 형성을 촉진해 전지 효율을 높였다.

리튬과산화물이 양극 표면에 얇은 막 형태로 생성되면 산소와 전자 전달을 방해하지만, 도넛 형태로 만들어지면 이런 부작용이 줄어든다.

송현곤 교수는 "인체의 활성산소 제거 메커니즘을 배터리에 적용한 새로운 시도"라면서 "용량이 크고 안정성이 높으며 수명도 늘어난 리튬-공기전지 개발에 활용될 뿐 아니라, 활성산소에 의해 부반응을 일으키는 다양한 고용량 전지의 전기화학적 특성을 향상하는 데 많은 도움이 될 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 재료 분야 국제학술지 '에이씨에스 나노(ACS nano)' 7월 18일 자로 공개됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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