본 학과의 방진호, 김병현 교수님과 해당 연구실 소속 Greeshma Suresh 박사과정, 정우원 박사, 김민수 박사, 김규찬 박사과정이 참여한 공동 연구팀의 성과가 지속가능 에너지 분야의 권위지인 ‘Advanced Sustainable Systems (IF: 6.1)’에 게재되었습니다.

기존의 폐배터리 재활용은 유가 금속을 회수하기 위해 고비용의 화학적 처리가 필수적이었으며, 수전해 촉매 분야에서는 고가의 귀금속(예: IrO₂)을 대체할 저렴한 소재 개발이 난제였습니다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 수명을 다한 리튬 코발트 산화물(LCO) 폐양극재를 직접 전극으로 활용하는 방식을 도입했습니다. 연구팀은 배터리의 반복적인 충방전 과정에서 LCO 소재 내부에 리튬 결핍과 스피넬 상전이 현상이 발생하고, 이러한 구조적 변화가 전기화학적 촉매 활성을 오히려 높이는 핵심 요인임을 밝혀냈습니다.

특히, 밀도 범함수 이론(DFT) 계산을 통해 구조적 변형이 촉매 반응에 미치는 영향을 양자역학적으로 규명했습니다. 김병현 교수 연구팀은 리튬 빈자리(Vacancy)가 주변 코발트 원자의 d-오비탈 전자 구조(d-band center)를 조절하여, 산소 발생 반응의 중간체 흡착 에너지를 최적화한다는 사실을 이론적으로 입증했습니다. 이는 폐양극재가 순수한 LCO(Pristine LCO) 보다 낮은 에너지 장벽을 가지고 있어 반응 속도가 빨라지는 원인을 명확하게 설명합니다.

개발된 '업사이클링 LCO 촉매'는 10mA cm^-2의 전류 밀도에서 380mV의 낮은 과전압을 기록하며 상용 촉매에 버금가는 성능을 보였으며, 장시간 구동 시에도 안정적인 내구성을 입증했습니다. 이번 연구는 자원 순환과 전기화학 촉매 성능을 동시에 겨냥한 설계를 통하여 고부가가치 촉매를 설계할 수 있음을 입증한 점에서 큰 의미를 가집니다.

논문명: Enhanced Oxygen Evolution Reaction on Upcycled LiCoO₂ via Structural Phase Transformation
게재지: Advanced Sustainable Systems (2025년 10월 출판/8월 온라인 게재)
DOI: https://doi.org/10.1002/adsu.202500733