배터리를 값싼 재료로 오랫동안 사용할 수 있게 하는 방법이 개발됐다. 5일 울산과학기술원(UNIST)에 따르면 에너지화학공학과 송현곤, 이현욱 교수팀은 배터리 양극재에서 발생한 활성산소를 제거할 수 있는 생체 반응 모방형 전해액 첨가제 '구아이아콜'을 개발했다. 이 물질은 인체의 노화를 늦춰주는 항산화제처럼 배터리 안에서 발생하는 활성산소와 반응해 배터리 노화를 막는다. 기존 무기물 항산화 첨가제에 비해 약 350분의 1 가격(약 1ｇ당 1천200원)으로 만들 수 있다.

배터리 충·방전 중 발생하는 활성산소는 전해액을 분해해 배터리 안에서 전기 에너지를 만들어 내는 활물질을 용해하거나 배터리를 팽창시키는 등 성능을 저하한다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 항산화제에 주목했다. 대표적인 항산화제인 페놀류는 양성자 이동을 통해 활성산소를 제거하는데, 리튬 이온 기반 전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리에는 적합하지 않았다.

이에 연구팀은 인체 안에서 불균등화 반응으로 활성산소를 없애는 작용 원리를 차용, 페놀에 메톡시 그룹을 결합해 항산화효소를 모방한 촉매인 '구아이아콜'로 만들었다. 구아이아콜은 리튬화된 활성산소와 결합해 활성산소를 화학적으로 변하지 않는 리튬과산화물과 산소로 바꾼다.

연구팀은 구아이아콜이 리튬화된 활성산소의 흡착 에너지와 불균등화 반응에 필요한 에너지를 감소시켜 효율적으로 활성산소를 제거할 수 있다는 사실을 이론적으로 밝혀냈다. 구아이아콜을 전해액에 소량 첨가하면 전해질 용매 대신 활성산소와 반응해 전해액 분해를 막아 주며, 첫 번째 충전 시 산화되면서 양극에 보호막을 형성해 배터리를 사용하는 동안 구조가 변하는 것을 방지한다. 기존 전해질과 비교해 80%까지 용량을 유지하며 약 4배 정도 길게(65회 정도의 충·방전) 배터리를 사용하게 해 주며, 200회 충·방전 실험에서도 70%까지의 용량 유지율을 보였다.

제1저자 이정인 연구원은 "항산화제를 배터리에 적용하는 사례는 여럿 있었지만, 항산화제인 페놀과 불균등화 촉매인 구아이아콜을 비교해 전기화학적 분석을 통해 작용 방법을 규명한 것은 처음"이라며 "추후 배터리의 활성산소를 제어하기 위한 분자 구조 개발에 도움이 될 것"이라고 말했다.

연구 결과는 화학 분야 학술지 '앙게반테 케미'(Angewandte Chemie)에 10월 16일 온라인으로 게재됐고, 지난달 27일 출판됐다.

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 삼성SDI의 지원을 받았다.