인체 노화 막는 원리로 배터리 수명도 늘린다

활성산소를 제거해 인체의 노화를 막는 원리를 이용해 배터리 수명을 늘리는 방법이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 8일 에너지 및 화학공학부의 송현곤-곽상규 교수 공동연구팀이 생체 반응을 모방한 촉매를 개발해, 리튬-공기전지의 성능을 높이고 수명을 늘리는 데 성공했다고 밝혔다.

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

리튬-공기전지는 현재 가장 많이 쓰이고 있는 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 3~5배 높은 차세대 배터리다. 양극에서 반응에 관여하는 물질로 산소(O)를 이용해 전지 무게가 가볍고 친환경적이라는 큰 장점이 있다. 하지만 방전 과정에서 나오는 활성산소가 문제였다. 활성산소는 반응성이 높고 불안정해 다양한 반응을 추가로 만들어 낸다. 이 때문에 배터리 전체 용량이 떨어지고 수명도 줄어든다.

연구진은 이 문제의 해결책을 인체 내에서 찾아냈다. 사람의 몸에도 활성산소가 만들어지며, 이를 제거하기 위해 항산화 효소(SOD)가 존재한다는 데서 아이디어를 얻은 것이다. 생체 내에서 항산화 효소는 반응성 높은 활성산소를 과산화이온과 산소로 바꿔준다. 그 덕분에 세포가 활성산소로부터 안전하게 지켜진다.

연구진은 항산화 효소의 원리를 모방한 촉매 MA-C60을 만들고, 리튬-공기전지의 양극(공기극) 쪽에 이를 적용했다. 이 촉매는 활성산소인 초과산화이온을 과산화이온과 산소로 바꿨다. 활성산소가 일으키는 추가적인 반응을 방지한 것이다. 또 활성산소가 분해돼 나온 물질은 도넛 형태의 리튬과산화물 형성을 촉진해 전지의 효율을 높였다. 양극 표면에 얇은 막 형태로 만들어지는 리튬과산화물은 산소와 전자의 전달을 방해하지만, 리튬과산화물이 도넛 형태로 만들어지면 이런 부작용이 줄어든다.

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.

이번 연구는 재료 분야의 저명한 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS nano)에 7월 18일자로 공개됐다.

최준호 기자 joonho@joongang.co.kr