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  • 기사등록 2020-01-09 09:44:54
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▲ DGIST 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감(Sangaraju Shanmugam) 교수 연구팀이 차세대 이차전지인 리튬공기전지의 효율과 수명을 향상시키는 촉매 관련 핵심기술을 개발했다. 사진은 상가라쥬 샨무감 교수(우)와 에너지공학전공 현수연 박사과정생(좌)



[기계신문] DGIST 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감(Sangaraju Shanmugam) 교수 연구팀이 차세대 이차전지인 리튬공기전지의 효율과 수명을 향상시키는 촉매 관련 핵심기술을 개발했다. 기존 리튬공기전지가 갖던 단점들을 해결할 수 있는 원천기술로서, 향후 다양한 분야에서의 활용이 기대된다.


차세대 이차전지로 각광받고 있는 리튬공기전기(lithium-air battery)는 충전과 방전 과정에서 산화물의 결합, 분해로 에너지를 생성하는 신기술을 활용한 배터리로, 스마트폰이나 전기차에 탑재되는 리튬이온전지보다 에너지밀도가 3~5배 이상 높고 무게가 가벼워 ‘차세대 꿈의 배터리’로 불린다.


하지만 수명이 짧고 효율이 좋지 않은 단점이 있다. 또한 충전에 쓰이는 일반적인 촉매인 백금이나 산화이리듐도 내구성이 낮고 가격이 비싸서 이차전지 상용화에 큰 걸림돌이었다.


이에 샨무감 교수 연구팀은 전지를 충전하는데 필요한 촉매에 대한 연구를 진행해 이차전지의 효율과 용량을 개선하는데 성공했다. 리튬공기전지의 양극(+)과 음극(-)에 전류를 원활하게 흐르도록 도와주는 촉매로서 황화니켈코발트(NiCo₂S₄)를 활용해 촉매를 사용하지 않았을 때보다 리튬공기전지의 방전 시 생성되는 리튬과산화물(Li₂O₂)을 효과적으로 분해하도록 했다. 이는 충전 시 필요한 과전압을 최종적으로 감소시켜 전지의 충전 효율과 용량을 개선하는 데에도 긍정적인 영향을 줬다.



▲ 리튬공기전지와 개발 촉매를 적용했을 때의 전지 충‧방전 모식도



또한 리튬공기전지가 갖는 그래핀 구조 표면에 황화니켈코발트로 코팅해 전지 수명 개선에도 성공했다. 전지 수명 개선은 전지가 활발히 작동하는 동안 전극 표면에서 발생하는 부가적인 화학반응을 막는데 달려있다. 이를 위해 연구팀은 황이 첨가된 리튬공기전지의 그래핀 표면에 황화니켈코발트로 코팅시킨 새로운 전극을 개발했다. 이로써 전지 수명을 낮추고 방전을 유도하는 물질과의 직접 접촉을 차단하는데 성공할 수 있었다.


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 원천기술을 확보할 수 있어 매우 기쁘고, 최종 상용화를 위해 연구를 계속해 나갈 예정”이라고 밝혔다.


한편, 이번 연구는 2019년 과학기술정보통신부 대구경북과학기술원 연구운영비 지원을 통해 진행됐으며, 연구 성과는 재료과학분야 국제학술지 Applied Catalysis B: Environmental 온라인판에 2019년 10월 20일(일) 게재됐다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

한음표 기자 hup@mtnews.net

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