리튬공기배터리에 첨가제 추가해 수명·효율 높였다

UNIST-아주대-미 오벌린대 공동연구
기존 리튬이온 배터리보다 용량 5배 더 커
낮은 전압으로 충전하고 수명·효율 높여

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 곽원진 교수팀은 아주대 화학과 서성은 교수팀, 미국 오벌린대 슈밍첸 교수팀과 함께 리튬공기배터리의 수명과 효율을 높일 수 있는 양극 활물질 첨가제를 개발했다고 10일 밝혔다. 연구진은 이번에 개발한 첨가제로 인해 기존 리튬이온배터리보다 용량이 최대 5배 이상 큰 리튬공기배터리의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대하고 있다.

리튬공기배터리는 음극으로 리튬을 사용하고 양극의 활물질로 공기 중의 산소를 이용해 가벼운 전지 시스템이다.

연구진에 따르면, 산화환원 매개체는 전지 전해액 무게의 단 5%만 차지하는 첨가제지만 리튬공기배터리의 에너지효율과 수명을 결정한다. 리튬공기배터리는 높은 전압을 걸어 배터리를 충전해야만 하는데, 이때 걸리는 전압을 낮춰주는 물질이 산화환원 매개체이다. 산화환원 매개체를 쓰면 낮은 전압으로도 배터리를 충전할 수 있어, 에너지 효율은 높이고 전지에 걸리는 과부하는 줄여 수명을 늘릴 수 있다.

연구진은 활성산소와 잘 반응하지 않는 산화환원 매개체를 개발했다. 리튬공기배터리는 산소를 전극으로 쓰는 특성상 내부에 활성산소가 많이 생기는데, 이 활성산소, 특히 일중항산소가 산화환원 매개체와 반응해버려 산화환원 매개체 본래의 역할을 하지 못하게 한다. 연구진이 개발한 산화환원 매개체는 산소 노출 전후에 배터리 충전 전압을 3.5V 수준으로 동일하게 유지했다.

또 충전하는 동안 방출되는 산소의 비율이 각각 82%와 79%로 뛰어난 안정성과 가역성을 가졌다. 이는 다른 산화·환원 매개체가 일중항산소 노출 후 충전 전압이 크게 증가하고 산소 발생량이 50% 이상 감소하는 것과 대비되는 결과다.

산소 발생비율이 감소했다는 것은 산화환원 매개체가 일중항산소 등과 반응해버려 다시 원상태로 돌아올 수 없는 비가역성을 보였다는 의미다.

곽원진 교수는 "리튬공기배터리는 활성산소종에 의해 다양한 부반응이 나타나며 이를 제어하는 것은 시스템의 기술 수준 향상을 위해 필수적"이라며 "이번 연구에서 사용된 전해질 첨가제 설계 과정은 리튬공기배터리 기술을 향상시키는 동시에 다양한 촉매 개발에도 응용될 것"이라고 말했다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 첨가제를 세계적 국제학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자