한국과학기술연구원(KIST)은 극한물성소재연구센터 정소희 선임연구원 연구팀이 고등기술연구원 이광희 책임연구원 연구팀과 공동으로 2차원 나노소재 '이셀레늄화텅스텐'(WSe₂) 표면 활성을 극대화하는 촉매를 개발해 리튬공기전지 성능과 내구성을 모두 향상하는데 성공했다고 4일 밝혔다.

공기 중 산소를 양극 물질로 사용하는 리튬공기전지는 리튬이온전지 대비 10배 이상 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 차세대 전지로 꼽히지만, 충·방전 과정에서 산소 반응을 촉진하는 촉매활성 부위가 제한적이어서 반응 속도가 느리고 수명이 짧은 점이 상용화 난제로 꼽혀 왔다.

연구팀은 2차원 나노소재 층 구조에 백금 원자를 치환 도입하는 방식으로 표면에 셀레늄 원자가 빠져나간 '원자 수준 결함'을 의도적으로 만들었다.

이 결함은 산소 분자를 강하게 흡착해 활성화하는 핵심 반응 거점으로 작용하면서 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER) 반응 속도를 크게 높인다.

이를 통해 그동안 화학반응에 거의 쓰이지 못했던 2차원 소재의 아래위 단면인 '기저면' 전체를 활성 부위로 전환해 활용도를 극대화했다고 연구팀은 설명했다.

이 촉매를 적용한 리튬공기전지는 빠른 충·방전 조건에서도 550회 이상 안정적으로 동작했고, 다양한 충·방전 속도 조건에서도 기존 고가 상용 촉매보다 안정적이고 내구성도 높은 것으로 나타났다.

정 선임연구원은 "이번 연구는 2차원 소재의 구조적 장점을 유지하면서, 그동안 활용하지 못했던 기저면을 활용할 수 있는 원자 수준 제어 전략을 제시했다는 데 의의가 있다"고 말했다.

이번 연구는 지난 1월 19일 국제학술지 '재료과학 및 공학 R: 리포츠'에 실렸다.