대기구동형 리튬공기전지용 능동형 산소결합 친환경 촉매 개발
자연 추출 소재로 능동적 산소 결합 가능한 친환경 리튬공기전지 촉매 기술 제안
□ 자연 추출 소재인 포피린계 금속 프탈로시아닌(Metal phthalocyanine)을 이용한 리튬공기전지 기술이 개발되어 차세대 전지기술의 새로운 연구방향을 제시하였다.
※ 포피린계 금속 프탈로시아닌(Metal phthalocyanine) : 탄소와 질소로 이루어진 사각형의 거대고리 중심부에 금속원자가 위치하고 있는 화합물을 말하며 산소와 능동적으로 결합하는 것으로 잘 알려져 있다.
□ 한국연구재단(이광복 이사장)은 류원희 교수(숙명여자대학교)와 김종순 교수(성균관대학교) 공동연구팀이 능동형 산소결합이 가능한 포피린 기반의 리튬공기전지용 촉매 시스템을 개발했다고 밝혔다.
□ 지구온난화와 같은 환경문제를 해결하기 위한 온실가스 배출에 대한 규제가 가속화되며 기존의 가솔린 자동차를 전기자동차로 대체하고 있다. 리튬이온이차전지 기반의 상용 전기자동차의 경우, 주행거리가 약 200~300 km 내외로 한번 충전으로는 서울에서 부산까지 가기 어렵다.
○ 현재 전기자동차의 짧은 주행거리는 잦은 충전을 필요로 하며, 긴 충전시간과 배터리방전에 대한 불안감으로 인해 전기자동차 대중화에 있어 여러 가지 제약이 따르고 있다.
□ 리튬공기전지는 리튬이온이차전지에 비해 2~3배의 높은 에너지밀도를 가지며, 500 km 이상의 장거리 운행이 가능할 것으로 기대된다. 현재 리튬공기전지는 구동 시 부도체성 생성물로 인해 저항이 크게 발생하며 이로 인해 전지수명이 크게 저하되는 문제가 지적되고 있다.
○ 리튬공기전지의 성능을 향상시키기 위해서는 고효율 촉매의 도입이 필요하며 상용 전기자동차의 대중화를 위해 촉매의 친환경 저가격화가 필수적이다.
□ 연구팀은 엽록소, 헤모글로빈 등 자연에서 쉽게 볼 수 있는 포피린의 능동적인 산소 결합 특성에 기반하여, 포피린계 물질로 잘 알려진 금속 프탈로시아닌을 리튬공기전지의 전해액 촉매로 도입하여 효율을 크게 향상시키는데 성공하였다.
○ 각 프탈로시아닌의 중심에 위치한 금속의 종류를 다양하게 변화시킴으로써 전기화학적인 레독스 반응의 차이를 확인, 최적의 성능을 갖는 중심 금속의 종류를 밝혀내었다.
※ 레독스 반응 : 반응과정 중에 전자를 주는 산화반응과 전자를 받는 환원 반응이 일어남으로써 원자의 산화수가 달라지는 화학반응
□ 성능이 가장 뛰어난 망간 프탈로시아닌과 아연 프탈로시아닌 물질을 혼합시킴으로써 산소환원반응 및 산소발생반응에 모두 효과적인 전해액 촉매를 개발하였다.
○ 해당 혼합 촉매는 산소의 분율이 20% 이하인 실제 대기 분위기 조건에서도 높은 용량과 안정적인 수명 특성을 나타냈다.
□ 류원희 교수는 “리튬공기전지는 초고에너지 이차전지로써 차세대 한계돌파형 전지기술로 주목받고 있다. 코발트나 니켈 금속채광 및 자원확보 이슈 없이 대기 중 산소를 양극소재로 사용하는 친환경 미래탄소중립 기술이며, 본 연구 성과를 통해 리튬공기전지 성능을 크게 향상시킬 수 있는 핵심원천기술을 확보하였다”고 연구 의의를 설명했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(우수신진연구, 선도연구센터) 및 원천기술개발사업 국가핵심소재연구단(특화형) 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 2월 17일 표지논문으로 게재되었다.
