NRL2.0 연구팀, 태양광 기반 리튬–산소 배터리 반응 메커니즘 규명 N
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- 등록일2026.02.11
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실시간 분석 통해 차세대 고효율 에너지 저장 플랫폼 제시
전기차·항공·우주 분야에서 차세대 배터리 기술 혁신 기대
화학·나노과학과 김동하 교수가 주도한 국가연구소(NRL2.0) 사업단 ‘멀티스케일 물질 및 시스템 연구소(IMMS)’ 소속 연구팀이 태양광 에너지가 리튬–산소(Li–O₂) 배터리 내부 반응을 어떻게 지배하는지 그 메커니즘을 실시간 분석을 통해 체계적으로 규명하는 데 성공했다.
과학기술정보통신부와 교육부의 국가연구소(NRL2.0) 지원사업으로 추진된 이번 연구는 플라즈모닉 나노구조를 활용해 빛이 배터리 내부의 화학 반응 경로 자체를 조절할 수 있음을 입증한 성과다. 플라즈모닉 나노구조는 금과 같은 금속 나노입자가 빛을 흡수해 에너지를 증폭시키고 이를 화학 반응 촉진에 활용하는 나노 소재 기술을 뜻한다. 이번 연구 결과는 에너지 소재 분야의 세계적 학술지 <Advanced Energy Materials>에 1월 29일(목) 온라인 게재됐다.
리튬–산소 배터리는 현재 상용화된 리튬이온 배터리의 10배 이상 높은 이론적 에너지 밀도를 지니고 있어 전기차·항공·우주 분야에서 혁신을 가져올 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 그러나 실제 작동 과정에서는 충전 및 방전시 높은 과전압과 낮은 에너지 효율, 제한적인 수명 등의 한계로 상용화에 어려움을 겪어 왔으며, 특히 충전과 방전 과정에서 생성되는 불안정한 방전 생성물과 탄산염 기반 부반응이 성능을 떨어뜨리는 주요 원인으로 지적돼 왔다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 IMMS 연구소장 문회리 교수가 설계한 UiO-66-NH₂ 금속–유기 골격체(MOF) 내부에 금(Au) 나노입자를 결합한 새로운 플라즈모닉 양극 구조(Au@UiO-66-NH₂)를 개발했다. 이 구조는 금속-유기 골격체의 구조적 안정성과 다공성을 유지하면서도 빛 흡수와 전자 이동을 동시에 촉진해 태양광 에너지가 배터리 반응에 효과적으로 활용되도록 설계되었다.
광플라즈몬 효과가 적용된 Au@UiO-66-NH₂ 전극은 빛 조사 조건에서 충·방전 과전압을 크게 낮추고, 방전 용량과 장기 사이클 안정성을 동시에 향상시킴
실험 결과, 태양광을 조사한 조건에서 작동한 리튬–산소 배터리에서는 기존과 달리 얇은 필름 형태의 방전 생성물(Li₂O₂)이 형성됐으며, 이는 충전 과정에서 더 적은 에너지로도 효율적으로 분해되는 것으로 나타났다. 특히 실시간 적외선 분석(in situ FTIR)을 통해 플라즈모닉 활성화 조건에서는 배터리 성능을 저하시키는 불필요한 부산물 생성이 억제되고, 바람직한 반응이 선택적으로 유도됨을 확인했다. 더 나아가 이론 계산(DFT)을 통해 금 나노입자와 MOF가 결합된 계면이 배터리 내부의 핵심 반응인 산소 환원 반응(ORR)과 산소 발생 반응(OER) 모두에서 반응 에너지 장벽을 낮춰 반응을 촉진한다는 점을 이론적으로 입증했다. 이 같은 메커니즘에 힘입어, 해당 배터리는 첫 충·방전 사이클에서 1.05V의 매우 낮은 과전압으로 작동했으며, 적은 양의 금을 사용하고도 600시간 이상 안정적인 성능을 유지하는 우수한 내구성을 보였다.
이번 연구는 지난해 말 출범한 국가연구소(NRL2.0) 사업단 ‘멀티스케일 물질 및 시스템 연구소’가 출범 이후 처음으로 세계적 수준의 학술지에 연구 성과를 게재한 사례로 의미가 크다. 플라즈모닉 효과와 MOF 기반 촉매 설계를 결합해 태양광 기반 고효율·고안정성 리튬–산소 배터리의 새로운 설계 전략을 제시함으로써 국가연구소 사업단의 연구 역량과 국제적 경쟁력을 본격적으로 입증했다.
김동하 교수는 “이번 연구는 플라즈모닉 나노구조체가 단순한 보조 광흡수체를 넘어 리튬–산소 배터리 내부 반응 경로 자체를 지배할 수 있음을 배터리 구동 중 실시간으로 규명한 성과”라며 “태양광 수확과 에너지 저장을 하나의 시스템으로 통합하는 차세대 에너지 저장 기술 개발에 중요한 기반이 될 것”이라고 밝혔다.
(왼쪽부터) IMMS 연구팀 김동하, 문회리, 박재홍 교수
연구 결과는 「In Situ Mechanistic Study of Plasmon-Governed Reaction Pathways in Li–O₂ Batteries with a Au@MOF Cathode」라는 제목으로 발표되었으며, 공동교신저자로는 국가연구소 IMMS 소장 문회리 교수, 영국 링컨대학교 필립 마르커스 모타 교수, 인하대학교 함형철 교수, 본교 박재홍 교수가 참여했다. 본 연구는 한국연구재단 자율운영중점연구소 사업과 과기정통부·교육부의 국가연구소(NRL2.0) 지원사업, 브레인링크 프로그램(BrainLink Program), 한국기초과학지원연구원 기초과학연구역량강화사업(국가연구시설장비진흥센터)의 지원을 받아 수행됐다.