KIST·고등기술연, 2차원 촉매로 '리튬공기전지' 성능 한계 돌파

2차원 금속성 WSe2 소재의 기저면 활성화 및 촉매 반응 메커니즘

산소를 양극물질로 사용하는 '리튬공기전지'가 기존 리튬이온전지 대비 10배 이상 높은 에너지 밀도로 주목받는 가운데, 우리 연구진이 해당 전지 상용화 핵심 난제였던 성능·내구성 문제를 해소했다.

한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)은 정소희 극한물성소재연구센터 박사팀, 이광희 고등기술연구원(IAE·원장 김진균) 신소재공정센터 박사팀이 2차원 나노소재 '이셀레늄화텅스텐(WSe₂)' 표면 활성을 극대화하는 촉매 기술을 개발해 리튬공기전지 성능·내구성을 동시에 향상시켰다고 4일 밝혔다.

2차원 소재 '기저면' 전체를 활성 촉매 부위로 전환한 것이 핵심이다.

WSe₂의 층상 구조에 백금(Pt) 원자를 치환·도입하는 전략을 활용해, 표면에 셀레늄(Se) 원자가 빠져나간 '원자 수준 결함'을 의도적으로 형성했다. 이 결함은 산소 분자를 강하게 흡착·활성화하는 핵심 반응 거점으로 작용, 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)의 반응 속도를 크게 향상시켰다. 특히 전도도 저하 없이 기저면을 전면적 활성 부위로 전환함으로써, 2차원 소재 활용도를 극대화했다는 점에서 기술적 의의가 크다.

정소희 KIST 극한물성소재연구센터 박사

이를 적용한 리튬공기전지는 빠른 충·방전 조건에서도 550회 이상 안정적인 수명을 기록했다. 또 다양한 충·방전 속도 조건에서 기존 고가 상용 촉매인 Pt/C 및 산화루테늄(RuO₂) 대비 우수한 안정성·내구성을 입증했다.

이번 성과는 리튬공기전지를 비롯해 수전해, 연료전지 등 고성능 촉매가 필요한 에너지 분야에서도 비용 절감과 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다. 특히 국내 연구진이 주도하고 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)가 참여해 연구 신뢰도와 글로벌 경쟁력을 높였다. 연구팀은 향후 기술 이전과 상용화 연구로 국내 리튬공기전지 기술 경쟁력 강화를 추진한다.

정소희 박사는 “이번 연구는 2차원 소재 구조적 장점을 유지하면서, 기저면을 활용할 수 있는 원자 수준 제어 전략을 제시했다는 데 의의가 있다”라고 밝혔다. 이광희 박사는 “급속 충·방전 성능을 획기적으로 확보해, 고출력 모빌리티 전원 시스템 상용화 시기를 앞당길 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 'Materials Science and Engineering: R: Reports' 최신호에 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com