항산화 원리 이용해 리튬공기전지 수명 약 10배 늘린다

2019.08.08 20:16
울산과학기술원(UNIST)은 송현곤(왼쪽)∙곽상규(오른쪽) 에너지및화학공학부 교수 공동연구팀이 생체반응을 모방한 촉매를 개발해 리튬공기전기의 성능을 높이고 수명을 늘리는데 성공했다고 8일 밝혔다. UNIST 제공
울산과학기술원(UNIST)은 송현곤(왼쪽)∙곽상규(오른쪽) 에너지및화학공학부 교수 공동연구팀이 생체반응을 모방한 촉매를 개발해 리튬공기전기의 성능을 높이고 수명을 늘리는데 성공했다고 8일 밝혔다. UNIST 제공

국내 연구팀이 리튬공기전지의 수명을 약 10배, 용량을 최대 6배 이상 늘리는데 성공했다. 리튬공기전지는 흔히 쓰이는 리튬이온 2차전지보다 에너지 밀도가 3~5배 높아 차세대 배터리로 평가받는다.


울산과학기술원(UNIST)은 송현곤∙곽상규 에너지및화학공학부 교수 공동연구팀이 생체반응을 모방한 촉매를 개발해 리튬공기전기의 성능을 높이고 수명을 늘리는데 성공했다고 8일 밝혔다.
리튬공기전지는 양극에서 반응에 관여하는 물질로 산소를 사용해 전지 무게가 가볍고 친환경적이라는 장점이 있다. 하지만 전기를 사용하며 발생하는 활성산소로 인해 배터리 용량이 떨어지며 수명이 준다는 단점이 있다. 활성산소가 반응성이 높고 불안정해 여러 반응을 추가적으로 만들어 내기 때문이다.


연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 생체 내 항산화 원리에 주목했다. 활성산소는 세포에 손상을 입히는 모든 종류의 변형된 산소를 일컫으며 노화와 질병을 일으킨다. 이런 활성산소를 제거하기 위해 신체도 항산화 효소를 만들어 낸다. 항산화 효소는 활성산소를 과산화이온과 산소로 바꿔 세포들이 활성산소로 인해 변형되는 것을 막는다.


연구팀은 이런 항산화 효소의 원리를 모방한 촉매인 ‘MA-C60’을 개발했다. 그런 다음 이 촉매를 리튬공기전지 양극에 적용했다. 그 결과 이 촉매는 활성산소를 과산화이온와 산소로 분해되는 것으로 나타났다. 연구팀은 “활성산소가 일으키는 추가적인 반응을 방지한 것”이라고 설명했다.


또 활성산소가 분해돼 나온 물질들은 도넛 형태의 리튬과산화물 형성을 촉진해 전지 효율을 높이는 것으로 확인됐다. 양극 표면에 얇은 막 형태로 형성되는 리튬과산화물은 산소와 전자의 전달을 방해한다. 하지만 리튬과산화물이 도넛 형태로 만들어지면 전달 방해가 줄어든다. 


연구팀은 “새로 개발된 촉매를 이용한 리튬공기 배터리의 충방전 사이클이 50회 이상으로 증가했다”며 “대조군의 경우 수회 만에 배터리 수명이 다했다”고 설명했다. 또 “배터리 용량이 최대 6배 이상 증가한 것도 확인했다”고 말했다.


제1저자로 연구에 참여한 황치현 에너지및화학공학부 연구조교수는 “활성산소를 안정적이고 빠르게 리튬과산화물로 전환해 용량이 크고 안정성이 높으며 수명도 늘어난 리튬공기전지 개발에 활용될 것”이라고 말했다. 송 교수는 “이번 연구는 리튬공기전지뿐 아니라 활성산소에 의해 부반응을 일으키는 다양한 고용량 전지의 전기화학적 특성을 향상시키는데 많은 도움이 될 것”이라고 말했다. 


이번 연구결과는 국제학술지 ‘ACS 나노’ 지난달 18일자에 발표됐다. 

 

주세훈(왼쪽) UNIST 연구원, 정관영(가운데) UNIST 연구원,  황치현(오른쪽) UNIST 연구조교수도 함께 연구에 참여했다. UNIST 제공
주세훈(왼쪽) UNIST 연구원, 정관영(가운데) UNIST 연구원, 황치현(오른쪽) UNIST 연구조교수도 함께 연구에 참여했다. UNIST 제공

 


 

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