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2025. 1. 10.(금)

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신소재공학부

엄광섭 교수

062-715-2313

“수소 이온 활용해 배터리 소재의 물성 조절하는 

새로운 원리 제시” 

GIST-경희대-조지아공대,

배터리 양극재 성능·수명 향상 신기술 개발

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GIST 신소재공학부 엄광섭·이주형, 경희대 이정태 교수 공동연구팀, 금속 산화물 수소화 

반응의 작동 원리 규명하여 금속 산화물의 재료적 특성 조절하는 새로운 기술 개발

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수소화-몰리브데넘 산화물 양극 소재로 기존 리튬 이온 이차전지용 상용 양극 대

비 고용량(1.4~2배↑)·고속 충전(약 20분)·수명 향상(1천회 충·방전 이후에도 초기 

용량 76% 유지) 구현

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국제학술지《Nature Communications》게재

□ 최근 에너지와 같은 다양한 분야에서 수소 이온을 활용한 소재의 물성 

변형을 통해 배터리 등 에너지 저장 성능을 높이는 연구가 주목받고 

있다.

  ∘ 그동안 수소화 반응의 작동 원리에 대한 기초연구의 부재로 수소화 

정도를 정교하게 조절하는 데 기술적 한계가 있었으나 국내 연구진이 

금속 산화물의 재료적 특성을 조절할 수 있는 기술을 개발하여 에너

지 저장 및 전환 시스템 등 다양한 재료과학 분야에 활용될 것으로 

기대된다.

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□ 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 신소재공학부 엄광섭 교수와 이

주형 교수, 경희대학교 이정태 교수 공동연구팀이 수소 이온을 활용하

여 에너지 저장에 적합한 특성으로 소재의 물리화학적 특성을 변형할 

수 있는 금속 산화물 수소화* 기술을 개발했다고 밝혔다.

   * 금속 산화물 수소화: 금속 산화물 내부에 수소 이온과 전자가 삽입(도핑)되는 반

응을 의미한다. 표준환원전위가 상대적으로 작은 금속 혹은 금속이온으로부터 전

자를 공급받고 산성 전해질 용액으로부터 수소이온을 공급받아 금속 산화물의 환

원 반응이 일어난다. (예. MO + xH+ + xe- → HxMO, MO: 금속산화물)

□ 연구팀이 개발한 합성법은 금속 산화물과 산성 용액에 녹아 있는 금속

이온의 표준환원전위*의 차이를 통해 금속 산화물의 결정성 내부로 도

핑되는 수소의 양을 매우 정교하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 금속 

산화물의 결정상을 조절 및 변형이 가능한 기술이다.

  ∘ 연구팀은 금속 산화물 수소화 반응의 작동 원리가 부식 반응의 한 종

류인 전기화학적 갈바닉 반응*에 기초한다는 것을 실험적으로 규명하

였다.

    * 표준환원전위: 표준 수소 전극과 환원이 일어나는 반쪽 전지를 결합시켜 만든 

전지에서 측정한 전위를 말하며, 표준환원전위는 표준상태(25도, 1기압, 1몰)에서 

환원 반응이 일어날 때 측정한 전위의 값이다. 이를 통해서 표준 상태에서 특정 

전기 화학 반응의 산화-환원 정도를 알 수 있다.

   * 갈바닉 반응: 서로 다른 표준환원전위(표준상태-25도, 1기압, 1몰에서 환원 반응

이 일어날 때 측정한 전위의 값)를 가진 두 금속이 전해질 안에서 접촉하고 있을 

때, 표준환원전위의 전위차에 의해 전자와 이온이 이동하는 현상이다. 표준환원

전위가 큰 금속은 환원되고, 표준환원전위가 작은 금속은 산화된다.

□ 연구팀은 재료 기초분석을 통해 금속 산화물 내부에 수소 이온이 있으

면 금속 산화물의 구조적·전기화학적 특성이 조절된다는 점에 주목하

였다. 수소화-몰리브데넘* 산화물을 실제 리튬이온 배터리의 양극재로 

활용하여 높은 에너지 용량을 저장할 수 있는 배터리 양극재 소재 설

계에 나섰다.

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  ∘ 현재 상용 단계에 있는 리튬 이온 배터리 양극 소재는 코발트, 니켈, 

철, 망간 등을 사용하고 있으나 이들의 에너지 용량은 약 140~200 

mA/g로 이미 한계에 도달한 상황이다.

  ∘ 이에 따라 고에너지 용량을 저장할 수 있는 몰리브데넘 산화물(이론 

용량: 279 mA/g)이 많은 주목을 받고 있지만, 배터리 충/방전 중 발생

하는 결정 구조의 붕괴 현상에 따른 내구성 문제와 낮은 이온전도성

으로 인한 느린 충/방전 속도로 인해 상용화에 어려움이 있다.

    * 몰리브데넘: 원자번호 42번으로 주기율표 상 6족에 속하는 전이금속이다. 야금

학, 2차원 반도체, 태양전지, 배터리, 화학촉매 등으로 사용된다. 

□ 연구팀이 개발한 수소화-몰리브데넘 산화물 양극 소재는 상용 소재 대

비 약 1.4~2배에 해당하는 280 mA/g의 높은 에너지를 저장할 수 있고, 

약 20분 이내에 170 mA/g의 에너지를 빠르게 저장 및 사용할 수 있다.

　∘　또한, 수소화-몰리브데넘 산화물 양극재는 기존 몰리브데넘 산화물이 

가지고 있는 고질적 문제인 구조 붕괴 현상이 억제되어 1,000회 충/

방전 이후에도 초기 용량의 약 76%를 유지할 만큼 수명이 향상되었

다.

□ 연구팀은 전기화학 및 분광학 기초실험을 통해 도핑된 수소 이온이 몰

리브데넘 산화물의 충/방전 시 발생하는 결정 구조의 붕괴 반응을 제한

하여 배터리 사이클 안정성이 크게 개선되었음을 확인하였다.

  ∘ 또한, 계산화학 및 전기화학 분석을 통해 수소 이온이 몰리브데넘 산

화물의 대칭적 결정 구조를 뒤틀어 결정 내 리튬 이온이 원활하게 확

산할 수 있는 경로가 발생함으로써 빠른 충/방전이 가능해진다는 사실

도 규명하였다.

□ 연구팀은 이러한 결과를 바탕으로 외부의 에너지 공급 없이 금속 산화

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물 내에 수소 이온을 삽입할 수 있는 방법론을 새롭게 고안하였고, 수

소 이온을 활용하여 재료의 물성 특성을 조절할 수 있다는 사실을 확

인함으로써 이번 연구 성과의 산업적 활용 가능성 및 실효성 또한 검

증하였다.

□ 엄광섭 교수는 “이번 연구는 금속 산화물 수소화 반응의 작동 원리를 

규명했다는 점에 학술적 의의가 있다”고 설명하며, “특히, 수소 이온

을 활용하여 재료가 가진 고유한 물성을 매우 용이하게 조절함으로써 

향후 에너지 소재 개발에 새로운 장을 마련할 것으로 기대된다”고 덧

붙였다.

□ GIST 신소재공학부 엄광섭·이주형 교수, 경희대학교 이정태 교수가 공

동 지도 하에 권준화 박사와 소순성 박사가 수행하고, 미국 조지아공대

(Georgia Institute of Technology) 톰 풀러(Tom Fuller) 교수가 감수한 

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행되

었으며, 연구 결과는 국제학술지 《네이처 커뮤니케이션즈(Nature 

communications)》에 2024년 12월 5일 온라인 게재되었다.  <끝> 

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용 어 설 명

1. 표준환원전위

○ 표준환원전위는 표준상태(25도, 1기압, 1몰)에서 환원 반응이 일어날 때 

측정한 전위의 값이다.

2. 갈바닉 반응/부식

○ 서로 다른 표준환원전위를 가진 두 금속이 전해질 안에서 접촉하고 있을 

때, 표준환원전위의 전위차에 의해 전자와 이온이 이동하는 현상이다. 

표준환원전위가 큰 금속은 환원되고, 표준환원전위가 작은 금속은 산화된다.

3. 금속 산화물 수소화

○ 금속 산화물 내부에 수소 이온과 전자가 삽입(도핑)되는 반응을 의미한다. 

표준환원전위가 상대적으로 작은 금속 혹은 금속이온으로부터 전자를 

공급받고 산성 전해질 용액으로부터 수소이온을 공급받아 금속 산화물의 

환원 반응이 일어난다.

   (예. MO + xH+ + xe- → HxMO, MO: 금속산화물)

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그 림 설 명

[그림1] 금속 이온을 활용한 산화물 수소화 합성 기술 모식도

금속 산화물과 금속이온-1 계면에서 갈바닉 부식 반응이 발생함. 금속 산화물이 환

원되면서(전자를 받으면서) 전해질에 존재하는 수소 이온이 금속 산화물 내부로 삽

입됨. 동시에 금속이온-1은 산화되어(전자를 주어) 금속이온-2 형태로 전해질 내에 

존재함.

[그림2] (위) 산화물 수소화 합성법을 통해 제작한 수소화-몰리브데넘 산화물의 전기

화학적 특성 분석: 몰리브데넘 산화물에 수소 이온을 삽입하는 경우 에너지 저장용

량 및 충/방전 속도가 개선되고, 구조적 안정성 향상에 의해 배터리 수명이 비약적

으로 개선됨 (아래) 범밀도 함수 이론 계산을 통한 수소화-몰리브데넘 산화물의 구

조적/전기화학적 특성 분석: 몰리브데넘 산화물 내부에 수소 이온이 존재하는 경우 

산화물 내부에서 리튬 이온의 확산 에너지 장벽이 낮아짐을 확인함. 이를 통해 수소

화-몰리브데넘 산화물의 충/방전 속도 개선의 원인을 규명함. 

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논문의 주요 정보

1. 논문명, 저자정보 

 - 저널명 : Nature communications (IF=14.7)

 - 논문명 : Galvanic hydrogenation reaction in metal oxide

          ※ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-54999-0

 - 저자 정보 : GIST·KIST 권준화 박사(공동제1저자), GIST 소순성 박사(공동제

1저자), KHU 이정태 교수(공동교신저자), GIST 이주형 교수(공

동교신저자), GIST 엄광섭 교수(공동교신저자)