나노 복합 촉매 개발을 통해 리튬공기 이차전지 수명 개선
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나노 복합 촉매 개발을 통해 리튬공기 이차전지 수명 개선
  • 송채환 기자
  • 승인 2013.11.05 01:38
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[신소재공학과 김일두, 전석우 교수팀]코발트산화물 나노섬유와 비산화그래핀으로 이루어진 복합 촉매로 전지 반응의 중간 산물인 리튬산화물 분해 과정 촉진해

 우리 학교 신소재공학과 김일두, 전석우 교수와 경기대학교 신소재공학과 박용준 교수 공동연구팀이 리튬공기 이차전지에 사용되는 나노섬유·그래핀 복합 촉매를 개발했다. 이번 연구는 지난 8월 8일 <나노 레터스(Nano Letters)> 온라인판에 게재되었다.

 

전기자동차 시대를 향하는 새로운 대안, 리튬공기 이차전지

리튬공기 이차전지는 리튬과 산소의 산화·환원 반응으로 리튬산화물이 생성되는 것을 이용한 이차전지다. 음극은 리튬 금속으로 이루어져 있으며, 양극은 표면에 촉매가 도포된 탄소 전극으로 이루어져 있어 산소와 리튬이온이 반응한다. 양극에서 리튬이온과 산소가 결합해 리튬산화물이 생기는 과정에서 전자가 나와 전류를 생성한다. 반대로 충전할 때는 생성되었던 리튬산화물이 다시 리튬과 산소로 분해된다. 리튬공기 이차전지는 양 극이 모두 금속으로 이루어진 리튬이온 이차전지에 비해 한쪽 극만이 금속으로 이루어져 있기 때문에 가볍다. 따라서 같은 무게의 리튬이온 이차전지보다 5~6배 가량 큰 에너지 용량을 가질 수 있다. 이러한 특성으로 인해 리튬공기 이차전지는 가볍고 고용량인 전지가 필요한 전기자동차 등에서 활용할 수 있다.

 

기존의 반응 촉매로는 충·방전 수명 효율 떨어져

리튬공기 이차전지는 획기적인 에너지 밀도로 주목받고 있지만, 상용화하는 데에는 많은 어려움이 따른다. 실제 전지로 사용되기 위해서는 충전과 방전을 여러 번 반복해도 안정적으로 성능이 유지되어야 한다. 이는 전지의 수명을 결정하는 중요한 요인이다. 현재 스마트폰에 사용되는 리튬이온 이차전지는 약 1,000번의 충·방전 후에도 성능이 크게 떨어지지 않는다. 그러나 리튬공기 이차전지의 경우에는 충·방전 수명이 짧다. 방전 시에 생긴 리튬산화물이 충전할 때 잘 분해되지 않아 탄소 전극 표면에 남아 있기 때문이다. 결국 충·방전을 조금만 반복해도 점점 리튬산화물이 전극 표면을 덮어 반응할 수 있는 전극의 표면적이 줄어들고, 이에 따라 급격하게 전지의 전압이 떨어져 사용할 수 없게 된다. 이를 해결하기 위한 리튬산화물 분해반응의 촉매 개발 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

 

코발트산화물 나노섬유로 높은 촉매활성 얻어

연구팀은 리튬과 산소가 만나 반응하는 탄소 전극에 코발트산화물 나노섬유와 비산화그래핀을 섞은 나노 복합촉매를 도포했다. 이전까지는 단위 질량 당 표면적이 넓은 나노입자 촉매가 주로 연구되고 있었다. 그러나 이번 연구에서는 나노섬유 촉매를 사용해 나노입자보다 다루기 쉬울 뿐만 아니라 촉매 활성도 더 높은 복합 촉매를 개발했다. 나노입자 촉매는 입자들이 고르게 분포하지 않아 충전 과정에서 리튬산화물이 나노입자와 뭉쳐 입자 표면을 덮는 일이 빈번히 생긴다. 하지만 나노섬유 촉매는 입자에 비해 다루기 쉽고 섬유를 고르게 분포시킬 수 있어 표면이 상대적으로 잘 덮이지 않아 더 높은 촉매 활성을 보였다.

 

▲ 다양한 촉매들의 충·방전 수명 비교 그래프/ 김일두 교수 제공

 

전기전도성 좋고 표면적 넓은 비산화그래핀 이용

코발트산화물 나노섬유와 함께 복합촉매를 이루는 비산화그래핀은 흑연을 산화한 후 환원해 얻는 산화그래핀과 달리 흑연의 한 층을 그대로 뜯어내는 방법으로 만들어진다. 이렇게 만들어진 비산화그래핀은 화학적 과정을 거치지 않기 때문에 표면에 구조적인 결함이 생기지 않는다. 결함이 적기 때문에 비산화그래핀은 산화그래핀에 비해 단위 질량 당 표면적이 넓다. 그 결과 촉매와 리튬 산화물의 접촉 면적도 넓어져 촉매 활성이 높아진다. 또한 비산화그래핀은 전기전도성이 좋아 전지를 이루는 전기화학적 반응을 활발하게 한다. 이렇게 만들어진 복합촉매는 리튬 산화물의 생성 및 분해반응을 촉진해 리튬공기 이차전지가 충분한 충·방전 후에도 높은 전지 용량을 유지할 수 있도록 한다.

 

이번 연구는 저렴하고 대량 생산할 수 있는 복합 촉매 개발로 리튬공기 이차전지 상용화의 길을 제시했다. 김 교수는 “나노섬유의 두께를 더 가늘게 만들면서 코발트산화물보다 촉매 특성이 좋고 저렴한 물질을 찾는 연구가 진행 중이다” 라고 후속 연구 방향을 밝혔다.


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