KIST-IAE, 리튬공기전지용 2차원 나노소재 촉매 개발

전기차와 에너지저장시스템(ESS) 시장이 급성장하면서, 기존 리튬이온전지의 에너지 밀도 한계를 넘어설 차세대 배터리 개발이 주목받고 있다. 그 중 ‘리튬공기전지’는 이론적으로 리튬이온전지 대비 10배 이상 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 전기차 주행거리를 획기적으로 늘릴 기술로 평가된다. 그러나 충·방전 과정에서 산소반응을 촉진하는 촉매 활성 부위가 제한적이어서 반응 속도가 느리고 수명이 짧다는 점이 상용화의 핵심 난제였다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한물성소재연구센터 정소희 박사 연구팀과 고등기술연구원(IAE, 원장 김진균) 신소재공정센터 이광희 박사 연구팀은 공동 연구를 통해 2차원 나노소재 ‘이셀레늄화텅스텐(WSe₂)’의 표면 활성을 극대화하는 촉매 기술을 개발해 리튬공기전지의 성능과 내구성을 동시에 향상시키는 데 성공했다. 이번 기술은 그동안 화학적으로 반응에 거의 참여하지 못했던 2차원 소재의 ‘기저면’ 전체를 활성 촉매 부위로 전환한 것이 핵심이다.

연구팀은 2차원 나노소재(WSe₂)의 층상 구조에 백금(Pt) 원자를 치환 도입하는 전략을 활용해, 표면에 셀레늄(Se) 원자가 빠져나간 ‘원자 수준 결함(vacancy)’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 소재의 활용도를 극대화했다는 점에서 기술적 의의가 크다.

해당 촉매를 적용한 리튬공기전지는 빠른 충·방전 조건에서도 550회 이상의 안정적인 수명을 기록했다. 또한 0.1C부터 3C에 이르는 다양한 충·방전 속도 조건에서 기존 고가 상용 촉매인 Pt/C(Platinum on Carbon : 탄소 지지체(Carbon Support) 위에 백금(Pt) 나노입자를 담지한 촉매로, 주로 연료전지(PEMFC)의 캐소드 산소환원반응(ORR) 및 수소화 반응에 사용되는 고성능 전극 촉매) 및 산화루테늄(RuO₂) 대비 우수한 안정성과 내구성을 입증했다. 이는 고속 충전 환경에서도 성능 저하가 적은 차세대 배터리 구현 가능성을 보여주는 결과로 평가된다.

이번 성과는 2차원 소재의 구조적 한계를 넘어, 소재 전체를 촉매 활성 부위로 활용하는 새로운 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 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 연구를 통해 국내 리튬공기전지 기술 경쟁력 강화를 추진할 계획이다.

KIST 정소희 박사는 “이번 연구는 2차원 소재의 구조적 장점을 유지하면서, 그동안 활용하지 못했던 기저면을 활용할 수 있는 원자 수준 제어 전략을 제시했다는 데 의의가 있다”라고 밝혔고, IAE 이광희 박사는 “리튬공기전지의 난제였던 급속 충·방전 성능을 획기적으로 확보해, 고출력 모빌리티 전원 시스템의 상용화 시기를 앞당길 것”이라고 밝혔다.