‘노화 막는 원리’로 ‘배터리 수명’도 늘린다

우리 몸은 활성산소를 제거하는 작용을 통해 노화를 지연시킨다. 이 원리를 배터리에 적용해 수명을 늘리는 방법이 개발됐다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 송현곤–곽상규 교수 공동연구팀은 생체반응을 모방한 촉매를 개발해, 리튬–공기전지의 성능을 높이고 수명을 늘리는 데 성공했다.

리튬-공기전지는 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 3~5배 높은 차세대 배터리다. 양극에서 반응에 관여하는 물질로 ‘산소(O)’를 사용해 전지 무게가 가볍고 친환경적이라는 큰 장점이 있다. 하지만 전기를 사용하는 방전 과정에서 나오는 ‘활성산소(O₂⁻)’가 문제를 일으켰다. 활성산소는 반응성이 높고 불안정해 다양한 반응을 추가로 만들어내기 때문이다. 그 영향으로 배터리 전체 용량이 떨어지며 수명도 준다.

연구진은 이 문제의 해결책을 생체 내에서 찾아냈다. 우리 몸에도 활성산소가 만들어지며, 이를 제거하기 위해 항산화 효소(SOD)가 존재한다는 데서 아이디어를 얻은 것이다. 생체 내에서 항산화 효소는 반응성 높은 활성산소를 ‘과산화 이온(O₂²⁻)’과 ‘산소(O₂)’로 바꾼다(불균등화 반응). 그 덕분에 세포들이 활성산소로부터 안전하게 지켜진다.

그림1. 리튬공기전지 시스템에서 예상되는 SODm(MA-C60)의 불균등화 반응 메커니즘   SODm(MA-C60)이 활성산소(O2-)와 결합하여 활성산소를 안정화 시키고(stabilization), 용액내에서 불균등화반응(Disproportionation)을 유도하여 리튬과산화물 (Li₂O₂)과 산소(O2)를 생성한다.

연구진은 항산화 효소의 원리를 모방한 촉매(SODm)인 MA-C60을 만들고, 리튬-공기전지의 양극(공기극) 쪽에 적용했다. 이 촉매는 활성산소인 초과산화 이온(O₂⁻)을 과산화 이온(O₂²⁻)과 산소(O₂)로 바꿨다. 활성산소가 일으키는 추가적인 반응을 방지한 것이다.

또 활성산소가 분해돼 나온 물질들은 도넛 형태의 리튬과산화물(Li₂O₂) 형성을 촉진해 전지의 효율을 높였다. 양극 표면에 얇은 막 형태로 만들어지는 리튬과산화물은 산소(O)와 전자(electron)의 전달을 방해하지만, 리튬과산화물이 도넛 형태로 만들어지면 이런 부작용이 덜해진다.

제1저자인 황치현 UNIST 에너지 및 화학공학부 연구조교수는 “인체 내에서 일어나는 활성산소 제거 메커니즘을 배터리에 적용한 새로운 시도”라며 “활성산소를 안정적이고 빠르게 리튬과산화물로 전환해 용량이 크고 안정성이 높으며 수명도 늘어난 리튬-공기전지 개발에 활용될 것”이라고 전했다.

그림2. 계산화학을 통한 SODm 첨가 여부에 따른 예상 반응 경로   SODm(MA-C60)을 첨가한 경우(붉은색 그래프) 대조군(검은색 그래프) 보다 리튬과산화물과 산소를 발생시키는 반응을 위해 필요한 에너지가 낮다.

송현곤 교수는 “이번 연구는 리튬-공기전지뿐 아니라 활성산소에 의해 부반응을 일으키는 다양한 고용량 전지의 전기화학적 특성을 향상시키는 데 많은 도움이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 재료 분야의 저명한 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS nano)’에 7월 18일자로 공개됐다. 연구 수행은 삼성 미래육성기술사업의 지원으로 이뤄졌으며, 항산화 효소 모방 촉매의 매커니즘 분석에는 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 슈퍼컴퓨터 5호기 누리온이 활용됐다.