공기를 전극으로 쓰는 리튬공기배터리의 수명과 효율을 높일 수 있는 첨가제가 개발됐다. 

곽원진 울산과학기술원(UNIST) 교수팀은 서성은 아주대 화학과 교수팀, 슈밍첸( Shuming Chen) 미국 오벌린대학교 교수팀과 공동으로 리튬공기배터리용 ‘산화환원 매개체’(redox mediator)를 개발했다고 10일 밝혔다.

산화환원 매개체는 전지 전해액 무게의 단 5%만 차지하는 첨가제다.

리튬공기배터리의 에너지효율과 수명을 결정한다.

리튬공기배터리는 높은 전압을 걸어 배터리를 충전해야만 하는데, 이때 걸리는 전압을 낮춰주는 물질이 산화환원 매개체이다.

연구팀은 “산화환원 매개체를 쓰면 낮은 전압으로도 배터리를 충전할 수 있어, 에너지 효율은 높이고 전지에 걸리는 과부하는 줄여 수명을 늘릴 수 있다”고 설명했다.

연구팀이 개발한 산화환원 매개체는 활성산소와 잘 반응하지 않는다.

리튬공기배터리는 산소를 전극으로 쓰는 특성상 내부에 활성산소가 많이 생기는데, 이 활성산소, 특히 일중항산소가 산화환원 매개체와 반응해버려 산화환원 매개체 본래의 역할을 하지 못하게 한다.

개발된 산화환원 매개체인 BAC(7,7′-bi-7-azabicyclo[2.2.1]heptane)는 일중항산소 노출 전후에 배터리 충전 전압을 3.5V 수준으로 동일하게 유지했으며, 충전 동안 방출되는 산소의 비율이 각각 82%와 79%로 뛰어난 안정성과 가역성을 가짐이 확인됐다.

이는 다른 산화·환원 매개체가 일중항산소 노출 후 충전 전압이 크게 증가하고 산소 발생량이 50% 이상 감소하는 것과 대비되는 결과이다.

산소 발생비율이 감소했다는 것은 산화환원 매개체가 일중항산소 등과 반응해버려 다시 원상태로 돌아올 수 없는 비가역성을 보였다는 의미다.

곽원진 교수는 “리튬공기배터리는 활성산소종에 의해 다양한 부반응이 나타나며 이를 제어하는 것은 시스템의 기술 수준 향상을 위해 필수적이다”며 “이번 연구에서 사용된 전해질 첨가제 설계 과정은 리튬공기배터리 기술을 향상시키는 동시에 다양한 촉매 개발에도 응용될 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구는 세계적 국제학술지인 어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials)에 지난달 3일 온라인 공개, 정식 출판을 앞두고 있다.

연구수행은 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다.