“햇빛 쬐니 성능 ‘업’”…이화여대, 차세대 고효율 배터리 제시

[이데일리 김응열 기자] 이화여대는 국가연구소(NRL2.0) 사업단 ‘멀티스케일 물질 및 시스템 연구소’ 소속 연구팀이 태양광 에너지가 리튬–산소(Li–O₂) 배터리 내부 반응을 지배하는 메커니즘을 규명했다고 10일 밝혔다.

(왼쪽부터)이화여대의 김동하 교수, 문회리 소장, 박재홍 교수. (사진=이화여대)

이번 연구는 과학기술정보통신부와 교육부의 국가연구소(NRL2.0) 지원사업으로 추진됐다. 연구팀은 플라즈모닉 나노구조를 활용해 빛이 배터리 내부의 화학 반응 경로 자체를 조절할 수 있다는 점을 입증했다. 플라즈모닉 나노구조는 금과 같은 금속 나노입자가 빛을 흡수해 에너지를 증폭시키고 이를 화학 반응 촉진에 활용하는 나노 소재 기술을 뜻한다.

리튬–산소 배터리는 현재 상용화된 리튬이온 배터리보다 이론상 10배 이상 높은 에너지 밀도를 지니고 있다. 이에 전기차와 항공·우주 분야에서 혁신을 가져올 차세대 에너지 저장 기술로 주목받는다.

그러나 실제 작동 과정에서는 충전·방전 시 높은 과전압과 낮은 에너지 효율, 제한적인 수명 등 한계로 상용화에 어려움을 겪었다. 특히 충전과 방전 과정에서 생성되는 불안정한 방전 생성물과 탄산염 기반 부반응이 성능을 떨어뜨리는 주요 원인으로 지적됐다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 연구소 소장인 문회리 이화여대 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 태양광 에너지가 배터리 반응에 효과적으로 활용되도록 설계됐다.

실험 결과 태양광을 쬐는 조건에서 작동한 리튬–산소 배터리에서는 기존과 달리 얇은 필름 형태의 방전 생성물(Li₂O₂)이 형성됐다. 이는 충전 과정에서 더 적은 에너지로도 효율적으로 분해되는 것으로 나타났다. 해당 배터리는 첫 충·방전 사이클에서 1.05V의 매우 낮은 과전압으로 작동했고 적은 양의 금을 사용하고도 600시간 이상 안정적인 성능을 유지했다.

김동하 이화여대 화학·나노과학과 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 말했다.