지난 20일, 동국대학교 물리학과 손정인 교수 연구팀이 전이금속 기반의 중엔트로피 촉매 소재를 개발했다고 발표했습니다. 이번 연구는 리튬–산소(Li–O2) 배터리의 핵심 문제인 과전압과 전극 부식을 동시에 해결하는 데 중요한 진전으로 평가받고 있습니다. 연구 결과는 ‘Transition Metal-Based Medium-Entropy Composite Electrocatalyst for Stable and Efficient Li–O2 Batteries’라는 제목으로, 2026년 4월호의 Advanced Functional Materials에 커버 논문으로 선정되어 게재되었습니다.
리튬–산소 배터리는 높은 에너지 밀도를 자랑하며 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있습니다. 그러나 방전 과정에서 생성되는 과산화리튬(Li2O2)이 전극 표면에 잔존하여 충전 시 큰 과전압을 유발하는 문제와, 이로 인한 전해질 분해 및 전극 부식이 해결되지 않아 실용화에 어려움이 있었습니다. 이러한 한계는 배터리의 수명과 효율성을 저해하는 주요 원인으로 작용하고 있으며, 이에 따라 과산화리튬을 효과적으로 분해하면서도 전극 열화를 막는 촉매 개발이 절실히 요구되어 왔습니다.
연구팀은 니켈(Ni)과 철(Fe)의 높은 촉매 활성에 크롬(Cr)의 부식 저항성을 결합한 중엔트로피 조성 설계를 통해 해결책을 제시하였으며, 특히 귀금속을 사용하지 않는 ‘귀금속 제로’ 개념을 도입하여 비용 경쟁력도 확보하였습니다. 또한, 펄스 전기증착 공정을 적용하여 금속 이온 농도 편차를 최소화하고 조성을 균일화함으로써 나노 수준의 균일한 촉매 구조를 만들어 냈습니다. 이 구조는 금속 간의 시너지 효과를 극대화하여 촉매의 성능을 향상시키는 데 큰 역할을 하였습니다.
실험 결과, 해당 촉매는 방전·충전 과정에서 부생성물 형성을 억제하고, 과산화리튬의 분해를 촉진하여 충·방전 효율을 높이는 것으로 나타났습니다. 더불어, 장기간 구동 시험에서도 기존 촉매 대비 뛰어난 부식 저항성을 보여 전극 열화 없이 안정적인 성능을 유지하는 점이 확인되었습니다. 이는 배터리의 수명 연장과 성능 안정성 확보에 매우 중요한 성과입니다.
손정인 교수는 “중엔트로피 소재를 리튬–산소 전지 촉매에 처음 적용하여 높은 촉매 활성과 내부식성을 동시에 확보했다”고 말하며, “비싼 귀금속과 복잡한 제조 공정 없이도 중엔트로피 설계와 펄스 전기증착 기술만으로 기술적 한계를 극복하였다”고 강조했습니다. 또한, 이번 연구 성과는 차세대 배터리의 상용화 가능성을 높이는 중요한 계기가 될 것으로 기대되고 있습니다. 연구팀은 앞으로 촉매의 대량 생산과 실제 전지 시스템 적용을 위한 후속 연구를 진행하여, 높은 성능과 경제성을 갖춘 제품 개발에 박차를 가할 방침입니다.
이 연구는 한국연구재단의 중견연구 및 개척연구 사업 지원을 받아 수행되었으며, 향후 기술의 상용화와 시장 진입을 위한 실증 연구가 진행될 예정입니다. 이번 성과는 차세대 에너지 저장장치 개발 분야에 중요한 이정표가 될 것으로 보입니다. 특히, 배터리 수명과 안전성 확보에 있어 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대됩니다.
이처럼, 과학기술의 발전은 우리가 사용하는 전자기기의 효율성과 안전성을 높이는데 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 앞으로도 다양한 연구 개발이 지속되어, 보다 저렴하고 안정적이며 친환경적인 배터리 기술이 상용화 단계에 가까워질 것으로 기대됩니다. 이러한 기술적 진보는 전기차, 스마트기기, 에너지 저장 시스템 등 다양한 산업 분야에서 혁신을 이끄는 원동력이 될 것입니다.
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