# 리튬 산화물(Li₂O₂)

리튬 산화물(Lithium peroxide, 화학식: Li₂O₂)은 리튬 기반 화학에서 중요한 화합물 중 하나로, 주로 리튬-공기 배터리(Lithium-air battery)의 주요 생성물로 주목받고 있다. 이 물질은 전기화학적 에너지 저장 시스템에서 핵심적인 역할을 하며, 차세대 고에너지 밀도 배터리 개발의 핵심 요소로 연구되고 있다. 본 문서에서는 리튬 삼화물의 화학적 성질, 구조, 응용 분야, 그리고 리튬-공기 배터리 내에서의 작용 메커니즘에 대해 종합적으로 설명한다.

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## 개요

리튬 산화물(Li₂O₂)은 리튬(Li)과 산소(O₂)가 반응하여 생성되는 무기 화합물로, 흰색 또는 약간 노란빛을 띠는 고체 형태로 존재한다. 이 화합물은 강한 산화제로서의 성질을 가지며, 수분과 반응하면 리튬 수산화물(LiOH)과 산소를 생성한다. 가장 주목받는 응용 분야는 **리튬-공기 배터리**로, 이 배터리는 이론적으로 리튬 이온 배터리보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있기 때문에 차세대 전기자동차 및 장기 에너지 저장 시스템의 핵심 기술로 평가받고 있다.

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## 화학적 성질 및 구조

### 화학식 및 분자 구조

- **화학식**: Li₂O₂  
- **분자량**: 약 45.88 g/mol  
- **결정 구조**: 리튬 산화물은 일반적으로 결정성 고체로 존재하며, O₂²⁻(과산화 이온)를 포함한다.  
- **결합 특성**: Li⁺ 이온과 O₂²⁻ 이온 사이의 이온 결합으로 구성되며, 결정 구조는 약간의 변형이 있는 NaCl 유형 구조를 따르는 것으로 보고되기도 한다.

### 물리적 성질

| 특성 | 값 |
|------|-----|
| 상태 | 고체 |
| 색상 | 백색 ~ 약간의 노란색 |
| 용해도 | 물과 반응 (불용성) |
| 밀도 | 약 2.0 g/cm³ |
| 열 안정성 | 200°C 이상에서 분해 시작 |

### 반응성

리튬 산화물은 수분과 쉽게 반응하여 분해된다:

\[
2\text{Li}_2\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{LiOH} + \text{O}_2
\]

또한, 이산화탄소(CO₂)와도 반응하여 탄산 리튬(Li₂CO₃)을 생성하므로, 공기 중에서 안정성을 유지하기 어렵다. 이러한 특성은 리튬-공기 배터리 설계 시 밀봉 및 전해질 선택에 있어 중요한 고려 요소가 된다.

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## 리튬-공기 배터리에서의 역할

### 작동 원리

리튬-공기 배터리는 양극에서 산소(O₂)를 이용해 리튬 이온(Li⁺)과 전자(e⁻)와 반응하여 Li₂O₂를 생성하는 방식으로 작동한다.

**방전 반응 (양극):**
\[
2\text{Li}^+ + \text{O}_2 + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Li}_2\text{O}_2
\]

**충전 반응 (역반응):**
\[
\text{Li}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Li}^+ + \text{O}_2 + 2\text{e}^-
\]

이 반응은 높은 전압 효율과 이론적 에너지 밀도(약 3,500 Wh/kg)를 가능하게 한다.

### 도전 과제

- **충전성 문제**: Li₂O₂는 전기 전도성이 매우 낮아 충전 시 높은 과전압이 발생하며, 이는 에너지 효율 저하와 사이클 수명 단축을 초래한다.
- **부반응**: 전해질과의 반응 또는 CO₂, 수분의 침입으로 인해 Li₂CO₃ 등 불용성 부산물이 생성되어 전극을 막는다.
- **산소 확산 제한**: Li₂O₂가 전극 표면에 축적되면 산소의 확산이 저해되어 배터리 성능이 감소한다.

이러한 문제 해결을 위해 다양한 촉매(예: 루테늄, 망간 산화물) 및 나노구조 전극 개발이 활발히 진행 중이다.

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## 합성 방법

리튬 산화물은 주로 다음과 같은 방법으로 합성된다:

1. **직접 합성법**: 금속 리튬과 산소를 반응시켜 생성  
   \[
   2\text{Li} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Li}_2\text{O}_2
   \]
   - 고순도 산소 및 무수 조건 필요

2. **용액 합성법**: 리튬 염과 과산화수소(H₂O₂) 반응  
   \[
   2\text{Li}^+ + \text{H}_2\text{O}_2 + 2\text{OH}^- \rightarrow \text{Li}_2\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O}
   \]
   - 제어된 크기의 나노입자 생성 가능

3. **전기화학적 합성**: 리튬-공기 배터리의 방전 과정에서 자연 생성

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## 응용 및 전망

- **에너지 저장**: 리튬-공기 배터리는 전기차의 주행 거리 문제 해결을 위한 유력한 후보.
- **우주 및 군사용 전원**: 높은 에너지 밀도로 인해 장기 임무용 전원으로 연구 중.
- **기초 과학 연구**: 산소 환원 반응(ORR) 및 산소 발생 반응(OER) 메커니즘 연구에 활용.

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## 관련 문서 및 참고 자료

- 리튬-공기 배터리
- 리튬 이온 배터리
- 과산화물
- 전기화학적 에너지 저장

**주요 참고문헌**:
- Abraham, K. M., & Jiang, Z. (1996). *A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery*. Journal of the Electrochemical Society.
- Bruce, P. G., et al. (2012). *Li-O₂ and Li-S batteries with high energy storage*. Nature Materials.

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리튬 산화물(Li₂O₂)은 현재 기술적 도전이 많지만, 미래 에너지 저장 시스템에서 핵심적인 역할을 할 잠재력을 지닌 물질이다. 지속적인 연구를 통해 그 응용 가능성은 더욱 확대될 것으로 기대된다.