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국내 연구진, 광합성 반응 모사한 ‘차세대 이차전지’ 기술 개발

[IT비즈뉴스 최태우 기자] 국내 연구진이 자연광합성 반응을 모사한 리튬공기전지 기술을 개발, 차세대 전지 기술의 새로운 연구방향이 기대된다. 

대표적인 이차전지로 활용되고 있는 리튬이온전지는 200Wh/kg의 낮은 에너지 밀도로 이론적 한계에 다다른 상태며 스마트폰 등 다양한 전자기기의 전력원에서도 저용량 문제가 대두되고 있다. 현재 상용되는 리튬이온전지를 사용한 전기자동차는 주행거리가 200~300km 내외로 알려져있다. 

반면 리튬공기전지는 리튬이온전지 대비 에너지밀도가 2~3배 높아 전기자동차에 활용될 경우 500km 이상 장거리 운행이 가능해질 것으로 예상되면서 관련 기술 개발이 활발하게 진행 중이다. 

(왼쪽) 리튬공기전지 전해액 이미지- 순수전해액, 촉매가 분산된 전해액, 형광등 노출 후 촉매가 용해된 전해액, 오른쪽은 촉매가 포함된 전해액의 리튬공기전지 성능 평가표

리튬공기전지는 양극으로 무거운 리튬금속산화물 대신 공기 중의 산소를 연료로 사용하면서 리튬이온과 산소가 만나 리튬산화물을 형성, 역반응인 분해반응을 통해 전지의 충방전이 진행되는 형태다.

허나 리튬공기전지는 구동할 때의 생성물로 인한 전지의 수명 저하가 한계로 지적돼 왔다. 또 리튬공기전지의 성능을 향상시키기 위해서 고효율 촉매 기술이 필요한 상태다. 특히 촉매는 전기자동차의 대중화를 위해 친환경적이고 저렴한 비용으로 활용 가능해야 한다.

한국연구재단은 류원희 숙명여대 교수, 류정기 울산과학기술원(UNIST) 교수 공동연구팀이 인공광합성 촉매를 활용한 리튬공기전지용 촉매 시스템 개발에 성공했다고 밝혔다.

류원희·류정기 교수 연구팀은 자연모사 광합성 기술에 사용되는 물분해 촉매 물질을 리튬공기전지에 도입했다. 리튬공기전지 내부의 전해액에 폴리옥소메탈레이트(Polyoxometalate, POM)라는 촉매를 분산·도포해 연구를 진행했다.

연구팀은 코발트가 함유된 폴리옥소메탈레이트를 리튬공기전지 내부의 전해액에 분산·도포해 전기화학적인 산화-환원 레독스반응을 촉진시키면서 리튬공기전지의 셀 저항이 감소, 용량과 수명이 약 2배 향상된 것을 확인했다고 설명했다.

(왼쪽부터) 류원희 숙명여대 교수, 류정기 울산과학기술원(UNIST) 교수 [사진=한국연구재단]

촉매로 사용된 폴리옥소메탈레이트는 형광등과 같은 생활의 빛에서 촉매 활성을 잃어버린다는 사실도 밝혔다. 이 특성을 활용하면 빛으로 촉매 활성을 자유자재로 켜고 끄는 광 스위치로 활용할 수 있게 된다.

류원희 교수는 “이번 연구는 기초화학과 에너지·환경공학이 결합한 융합 연구로 자연광합성을 모사한 인공광합성 기술이 신개념 전지기술로 적용될 수 있는 기회가 마련된 셈”이라며 “리튬공기전지 기반의 전기자동차 상용화에 도움이 될 것으로 기대한다”고 연구 의의를 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단 기초연구사업(신진연구)의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제전문학술지 ‘ACS카탈리시스(ACS Catalysis)’에 게재됐다.

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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