리튬-공기 이차전지용 고성능 촉매 개발

[산업일보]
미래창조과학부(장관 최양희)·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행한 김동완 교수(고려대) 연구팀은 전기차에 응용이 기대되는 차세대 이차전지 중 리튬과 산소의 산화와 환원을 이용해 전류의 흐름을 유도하는 차세대 리튬-공기 이차전지용 고성능 촉매를 새롭게 개발했다.

리튬-공기 이차전지는 리튬-이온 이차전지에 비해 에너지 밀도가 5-15배 이상 높다. 하지만 리튬-공기 이차전지는 충전 속도가 느리고 수명이 짧은 문제점을 가지고 있다.

이 문제를 해결하기 위해 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선을 리튬-공기 이차전지용 공기극 촉매로 처음 개발한 결과, 20분 대로 고속 충전이 가능하고 기존에 보고된 탄소계 촉매 적용 전지에 비해 리튬-공기 이차전지의 수명이 5배가 향상됐다.

연구팀에 따르면, 이 연구는 MnMoO4 나노선을 합성한 후 리튬-공기 이차전지의 공기극 촉매에 처음 적용했다. 공기극 촉매는 충방전에 따른 반복적인 산소의 환원/산화를 도와주는 역할을 하는데, MnMoO4는 약한 금속-산소 결합을 갖고 있어, 산소의 결정학적 결함을 조절하면 촉매 활성을 높일 수 있다는 점에서 아이디어를 착안했다.

MnMoO4 나노선 합성은 대량합성이 가능한 공침법으로 수행했으며, 상당히 빠른 속도로 결정이 특정 방향으로 성장해 머리카락과 같은 MnMoO4 나노선 침전물이 발생됐다. 빠른 결정 성장과 침전으로 MnMoO4 나노선은 다량의 산소 결함을 포함하고 있어 MnMoO4의 공기극 촉매 활성을 극대화 시킬 수 있으며, 따라서 리튬-공기 이차전지의 수명을 늘리고 고속 충전에 도움을 주게 된다.

MnMoO4 나노선 공기극을 리튬-공기 이차전지에 적용 시 전기화학성능 특성을 판단하기 위해, 빠른 율속 특성 (3,000 mA/g), 고용량 특성 (5,000 mAh/g), 수명 특성 등을 평가했다.

율속 특성과 수명 특성은 1,000 mAh/g 용량 제한으로 측정을 실시했다. 3,000 mA/g의 율속 특성에서는 약 90 사이클까지 안정적인 충·방전이 됐으며, 1,000 mA/g의 전류 밀도에서 측정한 수명 특성은 180 사이클 이상까지 안정적인 충·방전을 보여줬다. 이는 기존에 보고된 공기극에 탄소계 촉매를 사용한 리튬-공기 이차전지보다 전지의 수명을 5배 정도 늘리고, 훨씬 더 빠른 속도로 전지를 충전이 가능함을 보여주는 결과이다.

김동완 교수는“이 연구는 리튬-공기 전지용 저가 촉매 신소재를 디자인하고, 대량합성이 용이한 나노공정을 개발한 것이다. 기존 탄소계 촉매에 비해 충전 속도와 수명이 크게 향상됐다. 개발된 이차전지를 전기차에 적용할 경우 주행거리 증가와 장기간 사용이 가능하게 될 것이다. 아직까지 연구 초기단계인 차세대 대용량 에너지 저장장치인 리튬-공기 이차전지의 실용화를 앞당길 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.