리튬이온배터리보다 용량이 최대 5배 이상 큰 것으로 알려진 리튬공기배터리의 수명을 늘리고 효율을 높일 수 있는 첨가제를 국내외 공동연구진이 개발했다.

10일 울산과학기술원(UNIST)에 따르면 곽원진 UNIST 에너지화학공학과 교수팀과 서성은 아주대 화학과 교수팀, 미국 오벌린대 슈밍첸 교수팀은 리튬공기배터리용 '산화환원 매개체'(redox mediator)를 만들었다.

산화환원 매개체는 전지 전해액 무게의 단 5%만 차지하는 첨가제지만 리튬공기배터리의 에너지 효율과 수명을 결정한다. 리튬공기배터리는 높은 전압을 걸어 배터리를 충전해야 하는데, 이때 걸리는 전압을 낮춰 주는 물질이 산화환원 매개체다. 산화환원 매개체를 쓰면 낮은 전압으로도 배터리를 충전할 수 있어 에너지 효율은 높이고 전지에 걸리는 과부하는 줄여 수명을 늘릴 수 있다고 공동연구팀은 설명했다.

특히 공동연구팀은 활성산소와 잘 반응하지 않는 산화환원 매개체를 개발했다. 리튬공기배터리는 산소를 전극으로 쓰는 특성상 내부에 활성산소가 많이 생기는데, 특히 일중항산소가 산화환원 매개체와 반응하면 매개체 본래의 역할을 하지 못하게 된다. 연구팀이 개발한 산화환원 매개체는 일중항산소 노출 전후 배터리 충전 전압을 3.5V 수준으로 동일하게 유지했으며, 충전 동안 방출되는 산소의 비율은 각각 82%와 79%를 기록해 안정성과 가역성을 나타냈다.

이는 다른 산화환원 매개체가 일중항산소 노출 후 충전 전압이 크게 증가하고, 산소 발생량이 50% 이상 감소하는 것과 대비되는 결과다. 산소 발생 비율이 감소했다는 것은 산화환원 매개체가 일중항산소 등과 반응해 다시 원상태로 돌아올 수 없는 비가역성을 보였다는 의미다.

곽원진 교수는 "리튬공기배터리는 활성산소종에 의해 다양한 부반응이 나타나 이를 제어하는 것이 시스템 기술 수준 향상을 위해 필수적"이라며 "이번 연구에서 사용된 전해질 첨가제 설계 과정은 리튬공기배터리 기술 향상과 다양한 촉매 개발에 도움이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials)에 지난달 3일 온라인으로 공개됐으며, 정식 출간을 앞두고 있다.

연구는 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다.