이차전지의 문제점을 해결해 줄 새로운 전극촉매 개발
이차전지의 문제점을 해결해 줄 새로운 전극촉매 개발
  • 한국과학경제
  • 승인 2020.01.09 14:52
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차세대 이차전지인 '리튬공기전지' 전극 촉매 핵심기술 개발
전지의 효율, 용량, 수명 한꺼번에 개선...향후 다양한 활용 기대돼
왼쪽 그림은 리튬공기전지의 구성과 작동원리에 대한 그림이며, 방전시 ORR반응이(리튬과산화물 생성), 충전시 OER반응이(리튬과산화물 분해)양극에서 일어난다. 이 반응들이 잘 일어날 수 있도록 도와주는 촉매를 개발, 전지의 효율을 향상시키고자 했다. 오른쪽 그림은 전지 충방전 곡선이다. 오른쪽 그림을 통해 각각의 촉매를 사용하였을 시의 충방전 효율과 용량을 알 수 있다.
왼쪽 그림은 리튬공기전지의 구성과 작동원리에 대한 그림이며, 방전시 ORR반응이(리튬과산화물 생성), 충전시 OER반응이(리튬과산화물 분해)양극에서 일어난다. 이 반응들이 잘 일어날 수 있도록 도와주는 촉매를 개발, 전지의 효율을 향상시키고자 했다. 오른쪽 그림은 전지 충방전 곡선이다. 오른쪽 그림을 통해 각각의 촉매를 사용하였을 시의 충방전 효율과 용량을 알 수 있다.

 

【한국과학경제=이수근 기자】 DGIST 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감 교수팀이 차세대 이차전지인 리튬공기전지의 효율과 수명을 향상시키는 촉매 관련 핵심기술을 개발했다. 기존의 리튬공기전지가 갖던 단점들을 해결할 수 있는 원천기술로써, 향후 다양한 분야에서의 활용이 기대된다.

차세대 이차전지로 각광받고 있는 리튬공기전지는 기존의 리튬이온전지보다 에너지밀도가 3~5배 이상 높고 무게가 가볍다. 하지만 수명이 짧고 효율이 좋지 않은 단점을 갖고있다. 또 충전에 쓰이는 일반적인 촉매인 백금이나 산화이리듐도 내구성이 낮고 가격이 비싸, 이차전지 상용화에 큰 걸림돌이었다.

이에 샨무감 교수팀은 전지를 충전하는데 필요한 촉매에 대한 연구를 진행해 이차전지의 효율과 용량을 개선하는데 성공했다. 리튬공기전지의 양극(+)과 음극(-)에 전류를 원활하게 흐르도록 도와주는 촉매로써 황화니켈코발트(NiCo2S4)를 활용해 촉매를 사용하지 않았을 때보다 리튬공기전지의 방전 시 생성되는 리튬과산화물(Li2O2)를 효과적으로 분해하도록 했다.

이는 충전시 필요한 과전압을 최종적으로 감소시켜 전지의 충전 효율과 용량을 개선하는 데에도 긍정적인 영향을 줬다.

또 리튬공기전지가 갖는 그래핀 구조표면에 황화니켈코발트(NiCo2S4)로 코팅해 전지 수명 개선에도 성공했다. 전지 수명의 개선은 전지가 활발히 작동하는 동안 전극 표면에서 발생하는 부가적인 화학반응을 막는데 달려있다. 이를 위해서 샨무감 교수팀은 황이 첨가된 리튬공기전지의 그래핀 표면에 황화니켈코발트(NiCo2S4)로 코팅시킨 새로운 전극을 개발했다. 이는 전지 수명을 낮추고 방전을 유도하는 물질과의 직접 접촉을 차단하는데 성공할 수 있었다.

이번 연구를 이끈 DGIST 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감 교수는 “향후 전기자동차나 로봇 등 다양한 산업분야에서의 활용이 기대되는 리튬공기전지의 상용화를 앞당겼다는데 큰 의의가 있다”며 “이번 연구를 통해 리튬공기전지의 짧은 수명과 용량을 개선하는 원천 기술을 확보할 수 있어 매우 기쁘며, 최종 상용화를 위해 연구를 계속해 나갈 예정이다”고 말했다.

이번 연구는 2019년 과학기술정보통신부 대구경북과학기술원 연구운영비 지원을 통해 진행됐다. 연구 성과는 재료과학분야 세계적 학술지 Applied Catalysis B: Environmental 온라인판에 지난 해 10월 20일(일) 게재됐다.

■용어설명

*리튬공기전기(lithium-air battery): 충전과 방전 과정에서 산화물의 결합, 분해로 에너지를 생성하는 신기술을 활용한 배터리. 스마트폰이나 전기차에 탑재되는 리튬이온배터리보다 성능이 좋아 ‘차세대 꿈의 배터리’로 불림.


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