항공기 화재 원인 지목된 리튬배터리…아주대 연구팀, 안정성 강화 ‘리튬산소배터리’ 기술 개발

아주대·울산과기원 등 참여 공동연구팀, 리튬산소배터리 상용화 앞당길 기술 개발…새로운 산화·환원 매개체로 충·방전 효율 제고

리튬배터리의 안정성과 효율 저하 문제를 해결할 해법은 무엇일까. 새로운 산화·환원 매개체를 개발해 차세대 리튬배터리의 성능 저하를 억제하고 안정성을 높이는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

12일 아주대에 따르면 이 대학 서성은 교수(화학과)가 참여한 공동 연구팀은 최근 이 같은 내용의 연구 결과를 화학 분야 저명 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 1월호에 게재했다.

아주대 공동 연구팀이 개발한 산화·환원 매개체의 반응 경로. 아주대 제공

현재 상용화된 리튬이온배터리는 스마트폰과 태블릿, 노트북, 전기차, 하이브리드차 등에 활용되지만 발화·폭발 가능성이 상존해 에너지 용량에 한계를 드러냈다. 지난달 28일 부산 김해공항에서 일어난 홍콩행 에어부산 항공기의 기내 화재 원인도 보조배터리 때문으로 추정된다.

이에 업계의 관심은 △전고체리튬이차배터리 △리튬황배터리 △리튬산소배터리 등으로 옮아가고 있다.

리튬산소배터리는 음극재로 리튬을, 양극재로 공기를 이용하는 게 기존 배터리와의 차이점이다. 구조가 비슷하지만 무게가 가볍고 10배 이상 높은 에너지 밀도를 갖는다. 외부 공기를 통해 산소를 계속 보충할 수 있어 충전 후 더 오래 사용할 수 있다.

다만 충·방전이 반복될수록 방전 과정 중 생성된 과산화리튬이 공기극의 기공을 막아 실제 반응 가능 면적이 감소하고 충전 과정에서 과산화리튬을 분해하면서 높은 과전압이 발생하는 단점이 있다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 스스로 산화·환원하며 과산화리튬을 분해하는 매개체를 활용, 과전압을 낮추고 리튬과산화물의 효율적 분해를 촉진했다.

아주대 관계자는 “연구팀은 밀도범함수이론 계산과 실험적 접근을 결합한 합리적인 분자 설계를 통해 일중항 산소 생성을 억제하면서 화학적으로 안정적인 산화·환원 매개체를 개발했다”고 설명했다.

이번 연구에는 서 교수 외에 곽원진 울산과학기술원 교수, 슈밍 첸 미국 오벌린칼리지 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 서 교수는 “차세대 배터리인 리튬산소배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 여러 문제를 해결했다”며 “상용화를 앞당길 수 있는 기틀을 마련한 셈”이라고 말했다.

수원=오상도 기자 sdoh@segye.com