리튬-CO₂ 배터리 혁신, 전력을 공급하면서 탄소를 포집

영국 서리대학교 연구진은 새로운 촉매를 넣은 실험용 리튬–CO₂ 전지를 조사했다. 방전할 때 리튬과 이산화탄소가 반응하고, 충전할 때는 생성물을 다시 분해해야 한다. 이번 연구는 이 가역 반응을 더 효율적으로 만드는 방법을 제시한다. 상용 전지가 대기 중 CO₂를 직접 제거하거나 순배출량을 줄인다는 사실을 입증한 연구는 아니다.

새로운 전지 화학을 연구하는 이유

리튬이온전지는 휴대전화, 전기차, 에너지 저장장치에 널리 쓰인다. 생산에는 원료와 에너지가 필요하고 수명이 다한 뒤에는 적절한 수거·재활용이 중요하다. 손상되거나 잘못 취급된 셀에서는 열폭주가 일어날 수 있다. 하지만 기존 글처럼 모든 리튬이온전지에 백금이나 희토류가 필요하다고 말하는 것은 잘못이다. 전지의 화학 조성은 종류마다 다르다.

리튬–CO₂ 전지에서는 이산화탄소가 전기화학 반응에 참여한다. 방전 중 형성되는 탄산리튬을 충전할 때 다시 분해하기 어려운 것이 주요 과제다. 반응을 진행하려고 추가로 필요한 전압을 과전압이라 한다. 적절한 촉매는 이 에너지 손실을 줄이고 충전·방전의 반복 가능성을 높일 수 있다.

서리대학교의 리튬–CO₂ 연구

Advanced Science에 발표된 논문에서 연구진은 세슘 인몰리브덴산염(CPM)을 양극 촉매로 사용했다. 케긴형 구조의 이 물질에는 전기화학적으로 활성을 보이는 위치가 많고 산소가 풍부한 표면과 기공이 있다. 기공은 CO₂ 분자와 리튬 이온이 반응 위치에 접근하는 데 도움을 줄 수 있다. 연구진은 비교적 간단한 방법으로 촉매를 합성해 실험실 셀에서 시험했다.

출처: 서리대학교 / Advanced Science

연구진은 전기화학 측정과 밀도범함수이론 계산을 결합했다. 분말 X선 회절로 결정 구조를 살피고, 적외선 분광법과 X선 광전자분광법으로 화학 결합 및 표면 상태를 조사했다. 열중량 분석은 물질의 특성을 확인하는 데 사용했다. 이러한 분석은 촉매의 작동 원리를 설명하지만, 완성된 상용 배터리 팩의 비용이나 수명을 측정한 것은 아니다.

CPM 촉매의 역할

CPM은 방전 중 CO₂ 환원 반응과 충전 중 그 역반응을 돕는다. 다공성 표면은 분자와 이온이 활성 위치로 이동하는 통로를 제공하고 반응 생성물이 자리할 공간도 만든다. 이로써 양극을 막을 수 있는 탄산리튬의 분해가 쉬워질 가능성이 있다. 그러나 전해질, 리튬 음극, 안전성 및 대량생산의 문제까지 해결된 것은 아니다.

실험 결과

연구진은 그램당 50mA의 전류에서 그램당 15,440mAh의 방전 용량, 97.3%의 쿨롬 효율, 0.67V의 과전압을 보고했다. 이는 정해진 실험 조건과 질량 기준의 특정 성능 수치다. 포장재, 전해질 등 모든 부품이 포함된 리튬이온전지 팩의 킬로그램당 에너지와 직접 비교할 수 없다.

용량을 그램당 500mAh로 제한했을 때 같은 전류에서 100회를 조금 넘는 반복 작동이 관찰됐으며, 상세 설명에는 107회가 제시된다. 기존 영어 글의 ‘수천 회’ 또는 ‘수년간 매일 사용’이라는 주장은 연구 결과와 맞지 않는다. 상용 전지 팩의 안전성을 검증한 결과도 아니다.

기대할 수 있는 점과 남은 과제

CPM은 기존에 보고된 여러 촉매에 비해 낮은 과전압을 보였고 제조 방법도 비교적 간단하다. 후속 연구의 가치가 있는 결과다. 하지만 한 차례의 실험실 연구만으로 이 전지가 기존 리튬이온전지보다 싸거나, 안전하거나, 오래가거나, 쉽게 대량생산할 수 있다고 결론지을 수는 없다. 실제 부하 조건, 훨씬 많은 충전·방전 횟수, 비용과 전 과정 환경영향 평가가 필요하다.

CO₂가 셀 반응에 쓰인다고 탄소가 영구히 저장되는 것은 아니다. 충전 시 가스가 다시 나올 수 있고, 전체 배출량은 CO₂ 공급원과 전력원 및 원료 생산에 달려 있다. 연구는 일반 대기에서 CO₂를 직접 빨아들이는 장치를 보여주지 않았다. 따라서 ‘공기 정화’나 ‘탄소중립’이라는 표현은 논문이 입증한 범위를 넘는다.

이 촉매가 일부 값비싼 귀금속 촉매의 대안이 될 수는 있다. 그러나 전지는 여전히 리튬과 다른 원료를 사용하며 세슘과 몰리브덴도 채굴·공급이 필요하다. 특정 희토류를 사용하지 않는다는 사실만으로 저비용이나 친환경성을 증명할 수 없다.

실제 사용과 상용화 시점

제어된 가스 환경에서 작동하는 리튬–CO₂ 셀은 장래에 에너지 저장 연구에 활용될 가능성이 있다. 이전 글은 가정, 자동차, 휴대기기, 심지어 화성에서의 사용과 약 5년 안의 출시를 예고했다. 이번 시험만으로는 그런 용도에 필요한 출력, 수명, 안전성이나 시스템 설계를 확인할 수 없다. 연구 결과로 상용화 날짜를 정할 수 없다.

서리대학교 팀은 촉매와 전극·전해질의 상호작용 및 다른 케긴형 폴리옥소메탈레이트를 계속 살필 계획이다. 실제 제품이 되려면 훨씬 많은 횟수에 걸쳐 가역 반응이 안정적으로 진행되어야 하고 비용도 감당할 수 있어야 한다.

배터리 산업의 기업

Solid Power (SLDP )

Solid Power는 황화물 기반 고체 전해질과 전고체전지를 개발한다. 이는 서리대학교의 리튬–CO₂ 셀과 다른 기술이다. 회사가 CPM 촉매를 제품에 사용할 것이라는 증거는 없다. 회사의 업계 협력이 이번 연구 때문에 주가가 단기간에 오른다는 근거도 될 수 없다.

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결론

CPM 촉매는 실험용 리튬–CO₂ 셀에서 낮은 과전압과 통제된 조건의 100회 남짓한 반복 작동을 보여줬다. 이는 과학적으로 유익한 진전이지만 안전하고 값싸며 기후에도 도움이 되는 일상용 배터리는 아직 입증되지 않았다.

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참고 연구

Masoudi, M. 외, “Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO₂ Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst”, Advanced Science 12(17), 2502553 (2025). doi:10.1002/advs.202502553.