리튬공기전지 '급속충전' 길 열렸다…2차원 촉매로 수명·출력 동시 개선[과학을읽다]

원자 결함 제어로 비활성 기저면 전체 활성화…550회 고속 충·방전 안정성

전기차 주행거리를 획기적으로 늘릴 '꿈의 배터리'로 불리는 리튬공기전지의 급속 충·방전과 짧은 수명 문제를 동시에 개선할 촉매 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 원자 수준 결함을 설계해 그동안 반응에 거의 참여하지 않던 2차원 소재의 기저면 전체를 촉매 활성 부위로 전환한 것이 핵심이다.

한국과학기술연구원(KIST) 극한물성소재연구센터 정소희 선임연구원 연구팀과 고등기술연구원(IAE) 신소재공정센터 이광희 책임연구원 연구팀은 공동 연구를 통해 2차원 나노소재 '이셀레늄화텅스텐(WSe₂)'의 표면 활성을 극대화하는 촉매 기술을 개발해 리튬공기전지의 성능과 내구성을 동시에 향상시켰다고 밝혔다.

2차원 금속성 WSe₂ 기저면 활성화 및 촉매 반응 메커니즘. 2차원 금속성 WSe₂는 촉매 반응이 가장자리 부위에만 국한돼 성능이 제한된다. 그러나 백금 치환과 셀레늄 결함을 통한 원자 수준 결함 제어가 도입되면 기저면 전체가 활성화된다. 이때 산화물 중간체의 높은 반응성과 금속성 소재의 전기전도성이 결합해 안정적인 충·방전 사이클을 유지한다. 연구팀 제공

리튬공기전지는 이론적으로 기존 리튬이온전지보다 10배 이상 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 차세대 배터리로 주목받는다. 그러나 충·방전 과정에서 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)을 촉진하는 촉매 활성 부위가 제한적이어서 반응 속도가 느리고 수명이 짧다는 점이 상용화의 핵심 난제로 지적돼 왔다.

죽어 있던 '기저면' 깨운 원자 결함 설계

연구팀은 금속성 2차원 WSe₂의 층상 구조에 백금(Pt) 원자를 치환 도입하는 전략을 통해 표면에 셀레늄(Se) 원자가 빠져나간 '원자 수준 결함(vacancy)'을 의도적으로 형성했다. 이 결함은 산소 분자를 강하게 흡착·활성화하는 반응 거점으로 작용해 ORR과 OER 반응의 에너지 장벽을 낮추는 핵심 역할을 한다.

특히 2차원 소재 표면적의 대부분을 차지하지만 화학적으로는 거의 반응에 참여하지 않던 '기저면'을 전면적인 촉매 활성 부위로 전환했다는 점이 이번 연구의 차별점이다. 내부 금속성 구조는 전기전도성을 유지하고, 표면 산화물 중간체가 촉매 반응을 주도하는 '시너지 구조'를 구현했다는 설명이다.

연구팀은 상온에서 단순 교반 공정만으로 백금을 치환해 결함을 형성하는 공정을 개발해 기존 기저면 활성화 기술 대비 공정 복잡성과 소재 손상 문제도 줄였다.

1C 급속 충전에서도 550회 안정…상용 촉매보다 성능 우수

해당 촉매를 적용한 리튬공기전지는 1C(1000 ㎃/g) 고속 충·방전 조건에서 550회 이상의 안정적인 수명을 기록했다. 또한 0.1C부터 3C에 이르는 다양한 충·방전 속도 조건에서도 기존 상용 촉매인 Pt/C 및 RuO₂ 대비 우수한 안정성과 내구성을 보였다. 이는 고속 충전 환경에서도 성능 저하가 적은 차세대 고출력 전원 시스템 구현 가능성을 보여주는 결과로 평가된다.

정소희 선임연구원은 "2차원 소재의 구조적 장점을 유지하면서 그동안 활용하지 못했던 기저면을 원자 수준에서 제어해 활용할 수 있는 전략을 제시했다는 데 의미가 있다"고 말했다. 이광희 책임연구원은 "리튬공기전지의 난제였던 급속 충·방전 성능을 확보해 고출력 모빌리티 전원 시스템 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 밝혔다.

연구진은 이번 기술이 리튬공기전지뿐 아니라 수전해, 연료전지 등 고성능 촉매가 필요한 다양한 에너지 변환·저장 분야에도 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 특히 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)가 참여해 연구의 신뢰도와 글로벌 협력 기반을 높였다.

한편 이번 연구 성과는 국제 학술지 'Materials Science and Engineering: R: Reports' 최신 호(1월 19일자)에 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업, 개인기초연구사업, 미래개척융합과학기술개발사업, 글로벌TOP전략연구단사업 등을 통해 수행됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr