[기계신문] 에너지저장장치로서 대표적인 리튬이온전지는 200 Wh/kg의 낮은 에너지 밀도 때문에 현재 이론적 한계에 다다르고 있으며, 스마트폰 등 다양한 전자기기의 전력원에서도 저용량 문제가 대두되고 있다.
리튬이온전지를 기반으로 제조되는 상용 전기자동차는 주행거리가 약 200~300 km 내외로 서울-대전을 왕복하기에도 어렵다. 짧은 주행거리는 잦은 충전을 요하며, 다수의 충전소의 설치 문제나 외지에서 고립될 수 있는 문제도 있어, 대중화에 있어서 여러 가지 제약이 따르고 있다.
가솔린자동차를 대체하기 위해서는 500 km 이상의 장거리 운행이 요구되며 이러한 문제들은 이론적 에너지 밀도가 훨씬 큰 차세대 이차전지인 리튬공기전지를 도입함으로써 해결 가능하다.
리튬공기전지는 양극으로 무거운 리튬금속산화물 대신 공기 내의 산소를 연료로 사용하며 리튬이온과 산소가 만나 리튬산화물을 형성하며 역반응인 분해반응을 통해 전지의 충방전이 이루어진다.
그러나 현 단계의 리튬공기전지는 구동 시 부도체성 방전산화물 생성으로 인해 큰 저항이 인가되어 효율이 떨어지며 이로 인해 짧은 수명 문제가 지적되고 있다.
이를 해결하기 위해 주로 고상의 귀금속 혹은 금속산화물 기반의 촉매물질을 전극 위에 도포하는 연구가 많이 진행되었으나, 반응생성물에 의한 촉매 비활성화 문제나 귀금속 촉매물질의 사용으로 인한 가격상승문제는 리튬공기전지의 상용을 위한 걸림돌로 여겨지고 있다.
이러한 가운데, 최근 국내 연구진이 광합성 반응을 모사한 리튬공기전지가 개발하여, 차세대 전지 기술의 새로운 연구방향이 기대되고 있다.
숙명여자대학교 류원희 교수와 울산과학기술원 류정기 교수 공동연구팀은 자연광합성을 모사한 인공광합성 기술에서 물분해 촉매로 주로 사용하는 폴리옥소메탈레이트(Polyoxometalate, POM) 물질을 리튬공기전지의 공기극 촉매로 도입하여 효율을 크게 향상시키는 데 성공했다.
연구팀은 코발트가 함유되어 있는 폴리옥소메탈레이트 물질을 리튬공기전지 내부의 전해액에 분산 도포하여 전기화학적인 산화-환원 레독스반응을 촉진시켰다.
산화-환원 레독스반응은 폴리옥소메탈레이트 내 코발트가 전극/전해액 계면에서 2가와 3가로 산화와 환원을 거듭하는 반응이며 전기화학적 셀 반응시 충방전 성능을 돕는다.
전극 내의 고정시키는 기존의 고체촉매들에 비하여 전해질 용액 내부에서 쉽게 이동할 수 있으며 코발트의 산화-환원 레독스반응이 리튬산화물의 형성과 분해를 촉진시켜준다. 이로 인해 리튬공기전지의 셀 저항이 크게 감소하며 용량과 수명이 약 2배 가량 향상되었다.
폴리옥소메탈레이트는 리튬공기전지 내 특정 전해액에서 선택적으로 반응하며 형광등과 같은 생활 빛 환경에 노출될 경우 촉매활성이 비활성화되는 것을 최초로 발견하였다.
이와 같은 선택적 촉매활성 특성을 발전시킬 경우 자유자재로 활성을 켜거나 끌 수 있는 온오프(on-off)타입의 촉매시스템을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
류원희 교수는 “이 연구는 기초화학과 에너지·환경공학이 결합한 융합 연구로서, 자연광합성을 모사한 인공광합성 기술이 신개념 전지기술로 적용될 수 있는 교두보를 마련했다”며 “리튬공기전지 기반의 전기자동차 상용화에 도움을 줄 것으로 기대된다”고 설명했다.
한편, 환경-에너지 융합기술의 개발은 국가경쟁력을 좌우할 국가기반 기술이며 이번 연구와 같은 기초화학-공학 분야의 교차결합연구는 다양한 신개념 기술을 도출할 수 있는 아이디어를 제공할 것으로 기대된다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행되었으며, 국제전문학술지 ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)에 6월 25일 게재되었다.