리튬공기 이차전지에 쓰이는 고성능 촉매가 개발됐다. 리튬공기 이차전지는 차세대 대용량 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 고성능 촉매를 적용한 전지가 앞으로 전기차에 적용되면 주행거리와 사용 시간을 획기적으로 늘려줄 것으로 기대된다.
김동완 고려대 교수 연구팀은 차세대 리튬공기 이차전지용 고성능 촉매를 새롭게 개발했다고 4일 밝혔다. 리튬-공기 이차전지는 리튬 금속의 산화(음극)와 산소의 환원(양극, 공기극)을 이용해 전류 흐름을 유도하는 전기화학 전지다.
현재 널리 쓰이는 리튬이온 이차전지는 가솔린을 사용하는 내연기관보다 에너지밀도가 낮아 전기자동차에 적용하면 장거리 주행에 불리하다. 이 때문에 에너지 밀도가 상용 리튬이온보다 5~15배 높은 리튬공기 전지가 주목받고 있다.
리튬공기 전지의 공기극 촉매로는 카본계, 귀금속계(Pt, Au, Ag 등), 전이금속과 산화물계 (MnO2, RuO2, Co3O4 등) 소재 연구가 진행되고 있다. 귀금속계는 가격이 높아 저가 금속산화물계 촉매 연구가 필요한 실정이다.
연구팀은 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선을 합성한 후 리튬공기 전지의 공기극 촉매에 처음 적용했다. MnMoO4 나노선은 망간과 몰리브덴 금속이 산소와 결합된 지름이 수십 나노인 선모양 산화물 소재다. MnMoO4 나노선 합성은 대량합성이 가능한 공침법을 이용했다. 연구팀은 20분 정도에 걸려 고속 충전이 가능하고 기존에 보고된 탄소계 촉매 적용 전지보다 리튬공기 이차전지의 수명이 5배가 향상된 것을 확인했다.
나노촉매는 리튬공기 전지의 높은 에너지밀도를 장기간 유지하면서 고속 충전을 구현해 전기차에 도입 가능성이 높다. 연구팀은 전기촉매 개발이 다른 이차전지인 아연공기 이차전지, 나트륨공기 이차전지 등에도 확대 적용할 수 있을 것으로 기대했다.
김동완 교수는 “저가 촉매 신소재를 디자인하고, 대량합성이 용이한 나노공정을 개발한 것으로 기존 탄소계 촉매보다 충전 속도와 수명이 크게 향상됐다”면서 “아직까지 연구 초기단계인 리튬공기 이차전지의 실용화를 앞당길 것으로 보인다”고 설명했다.
연구결과는 에너지 분야 국제 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 지난달 22일자 표지 논문으로 게재됐다.
송혜영기자 hybrid@etnews.com
