활성 산소 종에 의한 리튬공기전지 열화 메커니즘 규명 및 억제 연구 - 김주은 (The Graduate School, Ajou University, 2023)
리튬-산소 배터리는 높은 에너지 밀도 (~3500 Wh kg-1)와 같은 장점으로 주목받아온 차세대 배터리이다. 하지만, 충전과 방전 과정에서 필연적으로 발생하는 활성 산소 종인 초과산화물 (O2−) 및 일중항 산소 (1O2)에 의한 부반응으로 인한 셀 열화 문제가 존재한다. 초과산화물 불균등화 효소는 생체에서 O2−에 의해 야기되는 부반응을 억제하는 항산화 효소이다. 리튬-산소 배터리에 방전 과정에서 발생하는 초과산화물(LiO2 및 O2−)에 의한 부반응을 감소시키기 위해, 초과산화물 불균등화 효소 모방체 (Superoxide dismutase mimetic, SODm)가 적용되었다. SODm은 생물학적 시스템과 마찬가지로 O2−를 소거하여 불균등화 반응을 매개함으로써 활성 상태의 O2−를 비활성 종인 O2 또는 O22−로 변환시키며, 리튬-산소 배터리의 사이클 가역성을 향상시키는 역할을 한다. 그러나, 방전 과정 중 O2− 의 불균등화 반응이 1O2 를 필연적으로 발생 시킨다는 연구 결과가 발표되었지만, SODm에 의한 O2− 의 불균등화 반응이 1O2 발생을 촉진 시킬 수 있음을 확인하는 연구가 진행되지 않았다. 리튬-산소 전지의 사이클 수명을 향상 시키기 위해서는 SODm의 장점인 O2− 의 소거 효과에 집중 하는 것뿐 만 아니라, 1O2 발생 가능성에 대한 입증이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 우선 SODm으로 알려진 물질 후보군들을 선정하였고, 후보군들의 SODm의 기능인 O2− 의 소거 효과를 검증하였다. 4-carboxy-TEMPO가 SODm 역할을 하는 것을 밝혀냈으며, 4-carboxy-TEMPO가 O2− 불균등화 반응을 매개하면서, 1O2 를 발생시키는지 화학적, 전기화학적 방법을 통해 입증하였다. 분광학적 방법을 통해서 SODm을 화학적으로 발현시킨 O2− 와 반응 시 불균등화 반응을 매개하면서 1O2 발생을 촉진시킴을 증명하였다. 실제 셀 환경에서도, SODm 매개 불균등화 반응은 1O2 발생을 촉진 시킴을 증명하였다. 본 연구에서는 더 나아가 SODm과 quencher의 첨가제 조합을 통한 O2− 와 1O2 모두 비활성 상태로 변환시키는 전략을 최초로 제안했다. SODm와 quencher를 같이 사용함으로써 SODm의 O2− 소거 능력의 장점을 활용하고, 발생하는 1O2 을 효과적으로 억제할 수 있음을 증명했다. 우리는 이 연구가 첨가제와 활성 산소 종의 관계에 대해 면밀히 분석하는 방법과, 리튬-산소 배터리의 발전을 위한 첨가제 전략을 위한 중요한 참고문헌이 될 것이라 믿는다.
학위논문(석사)--아주대학교 일반대학원 :에너지시스템학과,2023. 8
Keywords: 단일항 산소; 리튬공기전지; 초과산화물; 활성 산소 종