미래창조과학부 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.

현재 널리 쓰이는 리튬-이온 이차전지는 가솔린을 사용하는 내연기관에 비해 에너지밀도가 낮기 때문에 전기자동차에 적용 시 장거리 주행 측면에서 큰 단점을 갖고 있다. 따라서 이론적 에너지 밀도가 상용 리튬-이온 이차전지에 비해 5~15배 높은 리튬-공기 이차전지가 주목받고 있다.

리튬-공기 이차전지의 공기극 촉매로는 카본계, 귀금속계(Pt, Au, Ag 등), 전이금속 및 산화물계 (MnO2, RuO2, Co3O4 등) 소재 연구가 진행되고 있으나 현재 성능은 수명이 50 사이클 미만으로 매우 낮고 특히 귀금속계는 가격이 매우 높아 저가의 금속산화물계 촉매 연구가 필요한 실정이다.

이번 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 MnMoO4 나노선 공기극을 리튬-공기 이차전지에 적용 시 전기화학성능 특성을 판단하기 위해 빠른 율속 특성 (3000mA/g), 고용량 특성(5000mAh/g), 수명 특성 등을 평가했다. 율속 특성과 수명 특성은 1000mAh/g 용량 제한으로 측정을 실시했다. 3000mA/g의 율속 특성에서는 약 90사이클까지 안정적인 충·방전이 됐으며 1000mA/g의 전류 밀도에서 측정한 수명 특성은 180사이클 이상까지 안정적인 충·방전을 보였다. 이는 기존에 보고된 공기극에 탄소계 촉매를 사용한 리튬-공기 이차전지보다 전지의 수명을 5배 정도 늘리고 훨씬 더 빠른 속도로 전지를 충전이 가능함을 보여주는 결과다.

이번 연구 결과는 리튬-공기 전지 공기극에 적용 가능한 새로운 저가의 산화물 나노 촉매를 디자인하고 촉매 활성을 극대화할 수 있는 나노구조, 결정학적 결함의 중요성을 입증하는 실질적 연구이다. 또한 개발된 나노촉매는 리튬-공기 이차전지의 높은 에너지밀도를 장기간 유지하면서 고속 충전을 구현함으로써 전기차에 적용 가능성이 기대되는 물질이다.

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

김동완 교수(고려대) 연구팀의 연구는 에너지 분야 국제적인 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials) 3월 22일자 표지 논문으로 게재됐다.