성균관대학교(총장 유지범) 기계공학부 정형모 교수 연구팀이 연세대 한병찬 교수, 한국과학기술원 강정구 교수 연구팀과 공동연구를 통해 리튬-공기 전지의 충·방전 과정에서 낮은 과전압을 유도할 수 있는 공기극 촉매를 개발했다. 또한 단국대 박희정, 원종호 교수 연구팀과 함께 리튬 메탈 음극의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 2차원 티타늄 옥사이드 나노시트(2DTiOx) 기반 양이온 유동 조절 기술을 통해 차세대 전지용 소재의 원천 기술을 확보했다.

12일 성균관대에 따르면 리튬-산소 전지는 높은 에너지 밀도로 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있으나 공기극의 불안정성 문제로 상용화가 어려운 상황이다. 이를 해결하기 위해 리튬 산화물(Li2O2)의 균일한 생성과 분해를 촉진하는 새로운 공기극 구조가 필수적이며, 리튬 금속 음극에서 발생하는 덴드라이트 형성 문제 또한 극복해야 한다.

정 교수 연구팀은 리튬친화성 3D 나노 케이지 구조를 가진 MOF(금속-유기 골격체) 기반 공기극을 개발해 공기극 내에서 Li2O2 생성물이 균일하게 성장하고 분해되도록 함으로써 리튬-산소 전지의 안정성과 성능을 크게 향상시켰다. 또 2DTiOx 소재를 활용해 무음극 리튬 금속 배터리를 제작, 상용 수준의 조건에서도 100회 이상의 안정적인 충·방전 사이클을 구현해 기존 리튬 금속 전극 대비 수명과 에너지 밀도를 크게 개선했다.

연구팀은 실험과 3D TEM 단층 촬영 및 밀도범함수 이론(DFT) 계산을 통해 MOF 기반 3D 구조가 충·방전 시 높은 용량을 유지하며 전지의 반응성을 안정화시킨다는 사실을 입증했다. 뿐만 아니라 2DTiOx 나노시트 기반의 음극 소재 적용 시 해당 소재의 기저면이 리튬 이온 유동을 원자 단위에서 효과적으로 제어하여 리튬 수지상 성장을 억제하고 충·방전 효율을 극대화할 수 있음을 확인했다.

정형모 교수는 “2DTiOx 기반의 음극과 MOF 나노 케이지 기반 공기극 촉매 기술을 통해 전기차 등 고에너지 수요가 높은 분야에서 배터리의 효율성과 안정성을 크게 향상시킬 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 개인기초연구 및 나노소재기술개발 과제의 지원을 받았으며, 관련 논문은 국제학술지 ACS Nano(8월 14일)와 Advanced Energy Materials(10월 11일)에 각각 게재됐다.