최근 주목받고 있는 리튬전지 성능을 획기적으로 업그레이드할 수 있는 기술 2개가 개발됐다.
강원대와 성균관대 연구진은 물을 이용해 리튬2차 전지 성능을 현존 최고 수준으로 끌어올리는데 성공했다. KAIST 연구진은 차세대 리튬-공기전지 촉매를 대량생산할 길을 텄다.
2개 기술을 소개한다.
◇물이용 리튬2차전지 성능 2배개선
조용훈 강원대 교수와 엄지현 성균관대 연구원은 미래창조과학부와 한국연구재단 이공분야기초연구사업(일반연구자지원사업) 지원을 받아 물을 이용한 리튬이차전지를 개발했다.
물을 얼려 얻어낸 다공성 금속 구조체에 고용량 전극소재를 코팅하는 방법으로 리튬이차전지 일체형 전극을 확보했다.
시험결과 기존 흑연 음극 단위질량당 전하량 372mAh/g(그램당 미리암페어아우어)에 비해 2배 이상 성능이 향상된 750mAh/g의 용량을 얻는데 성공했다.
최근 화석연료를 대신할 수 있는 청정에너지 개발 사업, 예를 들어 전기 자동차와 같이 친환경 차량에 대한 관심이 증가하면서 에너지 저장장치인 리튬이차전지 소형화, 경량화, 고성능화가 요구되고 있는 추세이다.
기존 고용량 배터리는 충전 또는 방전 시 많은 리튬 이온을 저장하기 어렵다. 또 기존대비 최대 4배에 달하는 전극 부피팽창으로 전기적 합선(단락)과 급격하게 성능이 저하되는 단점이 있다.
연구진은 물에 녹인 금속 분말을 얼렸다가 얼음만 제거해 다공성 금속 구조체를 얻는 `프리즈 캐스팅` 법을 활용해 고용량 전극 소재를 새롭게 개발했다.
일체형 전극으로 만들어 전극 구조 안정성도 확보했다. 여러 차례 실험을 통해 50회 이상 충전 및 방전 후에도 용량이 떨어지지 않고 g당 750mAh 이상 안정적으로 출력했다.
조용훈 교수는 “차세대 전기자동차 대중화를 앞당길 수 있을 뿐아니라 휴대폰, 노트북 등 소형 정보통신 장비 전원장치로도 활용될 수 있을 것”으로 기대했다.
이 연구는 국제 학술지 `네이처(Nature)` 자매지 `사이언티픽 리포트(Scientific Reports)` 온라인 판 1월4일자에 발표됐다.
◇차세대 리튬공기전지 원천기술개발
김일두 KAIST 신소재공학과 교수 연구팀이 리튬-공기전지 핵심인 촉매를 대량생산할 수 있는 원천기술을 개발했다.
리튬-공기전지는 전기자동차에 쓰이는 리튬-이온전지를 대체할 차세대 전지로 주목받고 있다.
연구진은 촉매활성이 뛰어난 루테늄산화물(RuO2)과 망간산화물(Mn2O3)이 균일하게 분포된 이중 나노튜브 구조를 손쉽게 대량 제조하는 원천기술을 확보했다. 이어 리튬-공기전지 제조에 적용했다.
리튬-공기전지는 리튬-이온전지에 비해 용량이 10배 이상 크다. 대기 중 산소를 연료로 활용하기 때문에 전기자동차 에너지 저장장치로 큰 주목을 받고 있다.
그러나 방전 시 생성되는 고체 리튬산화물(Li2O2)이 충전 과정에서 원활히 분해되지 않아 전지 효율 및 수명특성이 저하되는 단점이 있다. 상용화가 어려운 이유다.
연구진은 루테늄과 망간 전구체가 녹아 있는 고분자 용액을 전기 방사했다. 누에가 실을 뽑듯 고분자 용액을 재료로 삼은 실을 뽑아내 루테늄-망간 전구체 기반 고분자 복합 섬유를 합성했다.
이 섬유를 고온 열처리하면 거푸집 역할을 하는 고분자 템플릿(Template)이 타서 없어지고, 루테늄산화물 및 망간산화물의 이종 물질이 함께 복합체를 이루는 이중튜브 구조 촉매가 완성된다.
연구진이 개발한 이중 튜브는 직경 220㎚ 외부튜브와 80㎚ 내부튜브로 이뤄져 안쪽 및 바깥쪽 벽이 동시에 촉매 반응에 참여할 수 있다. 비어있는 공간이 많아 가볍다는 장점도 있다.
연구진은 초기 충전 및 방전 시 과전압 차이가 약 0.8V 이내여서 안정성도 확인됐다. 기존 탄소재 사용시 과전압은 약 2.0V 이상이다.
연구진이 보유한 전기방사 기술은 고분자, 금속 전구체가 포함된 용액을 전기적 인력으로 연신(한쪽으로 당겨 늘리는 작업)시켜 수십에서 수백 나노 직경 나노섬유를 얻을 수 있는 기술이다.
쉽게 기능성 나노섬유를 대량생산할 수 있다. 수처리용 필터, 황사 마스크, 마스크팩 소재, 바이오 필터 등에 활발히 사용되고 있다.
김일두 교수는 “리튬-공기전지 충전 및 방전에 이상적인 촉매구조 디자인을 만든 것”이라며 “생산 공정이 매우 손쉽고 대량생산이 가능하다”고 설명했다.
연구는 김상욱 KAIST 신소재공학과 교수와 공동으로 진행됐다. 윤기로 박사과정 연구원이 이 연구논문 제1저자로 참여했다. 한국 이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터(Korea CCS R&D Center)와 현대자동차 지원을 받았다.
연구결과는 나노재료 분야 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 2월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
대전=박희범 과학기술 전문기자 hbpark@etnews.com
