경희대학교(총장 한균태) 기계공학과 김두호 교수 연구팀이 가역적으로 산소 산화환원 반응을 활용할 수 있는 리튬 이온 배터리 설계를 제안했다. 김두호 교수와 소속 연구실 대학원생, 총 2명의 저자로만 구성된 연구팀이 이뤄낸 성과라 더 의미 있다. 연구 결과는 에너지 분야 저명 국제 학술지 <Energy & Environmental Science>(IF=39.714) 11월 호 표지 논문으로 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단의 4단계 BK21사업, 중견 연구자 사업의 지원을 받았다.

리튬 이온 배터리에 금속 치환해 구조적 안정성 확보
소듐 이온 배터리는 차세대 배터리로 학계와 산업계의 관심을 받고 있다. 최근 소듐 이온 배터리가 산소 산화환원 반응에 ‘가역성(Reversibility)’을 갖는다는 연구 결과가 보고됐다. 이를 토대로 소듐 이온 배터리는 전이 금속을 이용한 산화환원 반응 외에도 산소 산화환원 반응을 활용해 더 높은 배터리 용량을 구현할 수 있다. 이에 반해 리튬 이온 배터리는 산소 산화환원 반응 가역성이 떨어져, 전이 금속을 이용한 산화환원 반응만을 활용해야 했다. 김두호 교수는 “소듐 이온 배터리와 달리 상용화된 리튬 이온 전지가 산소 산화환원 반응에 가역성을 보인다면 활용 가치가 높다고 생각했다”며 연구를 시작한 배경을 설명했다.

우선 김두호 교수 연구팀은 소듐 이온 배터리가 산소 산화환원 반응에 가역성을 갖는 원인 파악에 나섰다. 연구에 참여한 이재운(기계공학과 석사 수료) 학생은 “소듐 이온 배터리가 열역학적으로 안정적인 상을 가져 산소 산화환원 반응에 가역성을 가진다”고 설명했다. 연구팀은 원인을 토대로 ‘리튬 이온 배터리도 열역학적 안정성을 보이면 산소 산화환원 반응에 가역성을 가질 것’이라는 가정을 세웠다.

가정에 기반한 구체적인 개념도 제시했다. 김두호 교수 연구팀은 계산과학적 방법을 이용했다. 김 교수는 “기존의 리튬 이온 배터리보다 리튬이 과포화된 구조에 산소를 다른 음이온으로 치환하는 방식으로 구조적 안정성을 확보했고, 이를 통해 소듐 이온 배터리의 가역적 특성을 리튬 이온 배터리에 적용할 수 있음을 제시했다”고 강조했다. 또한, 그는 “실험 연구와 달리 계산과학 연구는 실험으로 확인하기 어려운 부분을 찾아내기 용이하다. 이번 연구 역시 계산 과학의 강점을 살렸다”고 평가했다.

소듐 이온 배터리의 특성을 리튬 이온 배터리에 적용하자는 제안은 논문 심사 당시에도 좋은 평가를 얻었다. 이재운 학생은 “기존에는 없었던 개념을 제안했기 때문에 연구의 목적성과 창의성을 주목받았다. 새로운 접근법이 유효했다”고 말했다.

“배터리 연구에 새로운 패러다임 제안, 통섭적 연구 계속할 것“
가역적으로 산소 산화환원 반응을 활용할 수 있는 리튬 이온 배터리가 실용화된다면 배터리 산업의 패러다임 전반이 바뀔 것으로 예측된다. 이재운 학생은 “배터리가 상용화된 이후 오랜 시간이 지났지만, 배터리의 에너지밀도는 구조적 한계 때문에 다른 분야에 비해서 발전 속도가 더디다고 말했다”고 말했다. 현재 배터리 용량은 이론치에 근접할 정도로 한계에 봉착했다. 따라서 많은 연구자가 배터리 용량을 1%라도 올리기 위해 매진하고 있다. 이재운 학생은 “배터리 용량을 획기적으로 늘리기 위해선 기존 방식에서 탈피한 새로운 패러다임이 필요하다. 리튬 이온 배터리에 산소 산화환원 반응을 접목해 그 용량을 일부라도 활용할 수 있다면 배터리에 획기적 발전이 이뤄질 것”이라고 강조했다.

김두호 교수 연구팀은 소듐 이온 배터리의 방법론을 리튬 이온 배터리에 적용한 것과 같은 통섭적 연구를 계속 진행할 계획이다. 김 교수는 “소듐 이온 배터리 외에도 차세대 배터리 종류가 많다. 각 배터리가 가진 장점을 분석하고, 장점을 골라서 실용성 있는 리튬 이온 배터리에 적용하기 위한 연구를 계속할 것”이라고 말했다. 이재운 학생은 석사 과정을 마치고 박사 과정에 진학할 계획이다. 그는 “세상에 도움이 될 재밌는 생각이 많이 남아 있다. 단순히 생각에서 그치는 것이 아닌 연구를 진행해 생각을 현실로 구현하겠다”고 다짐했다.

방완재 다른기사 보기