[스마트경제=복현명 기자] 김동하 이화여자대학교(총장 이향숙) 화학·나노과학과 교수 연구팀이 차세대 배터리로 주목받는 리튬–산소(Li–O₂) 전지의 성능 저하 문제를 해결할 새로운 전기화학 촉매 기술을 세계 최초로 개발했다.
이 연구 성과는 세계적 권위의 학술지 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters, impact factor: 36.3)’에 게재됐다.
리튬–산소 전지는 공기 중 산소를 이용해 전기화학 반응을 일으켜 전기를 저장하는 원리로 작동한다.
이 전지는 무게 1kg당 약 3.5킬로와트시(kWh)의 전기를 저장할 수 있어 기존 리튬이온 배터리보다 이론적으로 10배 이상 높은 에너지 밀도를 가진 차세대 고에너지 저장 시스템으로 주목받는다.
그러나 전지 작동 중 ’일중항 산소‘라는 활성 산소가 발생해 전해질과 전극 소재를 손상시키고 수명을 단축시키는 한계가 있어 상용화에 어려움을 겪어 왔다.
김동하 이화여대 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 특별한 나선형 구조(키랄 구조)를 갖는 산화 코발트 나노시트를 전극 촉매로 설계했다.
이 구조는 산소의 전자 움직임(스핀 상태)을 제어하는 스핀 선택성 효과(chirality-induced spin selectivity)를 활용해 일중항 산소의 생성을 원천적으로 억제하는 효과를 나타냈다.
실험 결과 새로 개발한 전극은 기존 탄소 전극과 비교했을 때 방전과 충전 과정에서 일중항 산소 발생량이 각각 3.7배, 3.23배 줄어든 것으로 확인됐다.
또한 산소가 전기에너지로 변환되는 과정에서도 산소 1분자가 반응할 때 전자가 오가는 수가 거의 이론값(2)에 가까운 2.04개(e⁻/O₂)로 나타나, 불필요한 손실 없이 높은 반응 효율을 입증했다.