왼쪽부터 손정인 교수, 이건범 석박통합과정생.

 

[대학저널 이선용 기자] 동국대학교 물리학과 손정인 교수 연구팀이 전이금속 기반 중엔트로피 촉매 소재를 개발해, 리튬–산소 배터리의 난제인 높은 과전압과 반복 충·방전에 따른 전극 부식 문제를 동시에 개선했다고 밝혔다.

연구팀은 차세대 리튬-산소 배터리 상용화의 핵심인 ‘고효율 비귀금속 촉매 개발’을 위해 귀금속 제로 중엔트로피 촉매의 새로운 소재 개념을 처음 제시했다. 연구 결과는 라는 제목으로 Advanced Functional Materials (IF=19.0, JCR 상위 4.50%) 2026년 4월호 커버로 선정 및 게재됐다.

리튬–산소 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 이론적 에너지밀도가 매우 높아 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 하지만 방전 시 발생하는 과산화리튬(Li2O2)이 전극 표면에 쌓이면 충전 시 큰 과전압이 발생하고, 전해질 분해와 전극 부식을 가속화해 배터리의 성능과 수명이 크게 저하되는 문제가 있다. 이에 과산화리튬을 효과적으로 분해하고 전극 부식을 억제할 수 있는 고활성·고내구성 촉매 개발의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해, 촉매 활성이 뛰어난 니켈(Ni), 철(Fe)과 부식 저항성이 강한 크롬(Cr)으로 이루어진 중엔트로피 촉매 소재의 새로운 설계 방안을 제시했다. 특히, 펄스 전기증착 공정으로 각 금속 이온들의 농도 편차를 완화해 원소별 조성을 균일화하고 촉매를 나노화하면서, 금속 간 시너지 효과를 극대화할 수 있는 중엔트로피 촉매 소재 합성 기술을 확보했다. 

 

왼쪽부터 비귀금속 기반 중엔트로피 촉매 소재 개략도 및 성능, 4월호 커버 이미지.

연구에 따르면, 개발된 촉매는 배터리의 효율과 안정성을 저하시키는 부생성물(Li2CO3) 형성을 효과적으로 억제하고, 방전 생성물인 과산화리튬의 분해를 촉진했다. 또한, 배터리가 장기 구동할 때도 기존 촉매보다 월등한 부식 저항성을 통해 전극 열화 없이 안정적인 성능을 유지함을 입증했다.

손정인 교수는 “이번 연구는 중엔트로피 소재를 리튬-산소 배터리 촉매에 최초로 적용하면 높은 촉매 활성과 우수한 내부식성을 동시에 달성할 수 있음을 입증한 것”이라며 “기존에는 비싼 귀금속과 복잡한 공정에 의존했지만, 중엔트로피 소재와 간편한 펄스 전기증착 공정만으로 촉매 개발의 기술적 한계를 극복했다”고 강조했다. 이어 “이번 기술이 향후 고효율·장수명 차세대 리튬–산소 배터리 상용화에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다"고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구 및 개척연구 사업의 지원으로 수행됐다.

 

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