'리튬이온전지의 5배 용량' 리튬산소전지 기술개발

고려대 김동완 교수팀, 전지내 활성산소 제거기술 개발
고체형 활성산소 정화제로 효율과 내구성 모두 높여

유기게르마늄 나노선이 들어간 활성산소 정화막이 전기화학적 반응중 발생하는 활성산소를 잡아내 양극 표면을 활성화한 결과 리튬산소 전지 특성 평가에서 약 0.06V의 낮은 과전압을 나타냈다. 고려대 김동완 교수 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 리튬이온전지보다 에너지 저장용량이 5배 이상 높은 리튬산소전지의 내구성을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 핵심은 전지내에서 생기는 활성산소 제거기술이다. 한국연구재단은 고려대 김동완 교수팀이 효율이 높고 오래가는 리튬산소전지 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구진은 고체형 활성산소 정화제를 합성하고 이를 적용해 전극 또는 전해질의 분해를 막았다.

리튬산소전지는 기존 리튬이온 전지대비 에너지 저장 용량을 약 5배 이상 높일 수 있다. 하지만 반응 중 생기는 활성산소가 지속적인 충방전을 방해하는 부산물을 만들어내는 것이 문제였다.

연구진이 개발한 고체형 활성산소 정화제는 항산화물질인 유기게르마늄을 이용해 전지성능을 떨어뜨리는 활성산소를 잡아내 정화한다.

기존에도 항산화물질로 활성산소를 양극에서 빠르게 포획하려는 시도는 있었다. 하지만 활성산소가 많이 발생할 때에는 부산물 생성반응을 방지할 수 없었다. 또 용해성 물질로 음극까지 도달해 부식을 일으켰다.

이에 연구진은 탄소계 양(+)극 표면에 활성산소를 정화할 수 있는 불용성의 유기게르마늄을 나노선 모양으로 합성했다. 활성산소와 접촉면적을 넓혀 정화성능을 끌어 올리기 위한 것이다.

전지 충방전때 전해질로 확산되는 활성산소를 잡아내 반응성 낮은 안정된 물질로 빠르게 전환함으로써 활성산소가 일으킬 수 있는 각종 부산물 생성반응을 방지하도록 했다.

물리적으로는 물론 화학적으로 활성산소에 의한 전지의 성능저하를 막으려는 시도로, 그 결과 기존 용해성 항산화물질과 달리 전압범위에 구애받지 않고 활성산소를 정화할 수 있는 것으로 나타났다.

특히 동결건조 방식으로 유기게르마늄 나노선을 합성해 경제적 양산에도 유리하다.

실제 이렇게 양극에 유기게르마늄 나노선이 적용된 전지는 충방전의 과전압을 줄여 전지의 사이클 안정성을 크게 향상시키는 것으로 나타났다. 이론적 전지 작동 전압에 근접한 0.06V의 낮은 과전압과 우수한 사이클 안정성을 보였다.

활성산소로 인해 생겨나는 부산물인 탄산리튬을 크게 감소시킨데 따른 것이다.

김동완 교수는 "리튬-이온 이차전지뿐 아니라 연구개발 단계에 머물러 있는 차세대 이차전지의 상용화에 이바지 할 수 있는 도약연구가 될 것"이라고 전망했다.

이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 'ACS 나노'에 11월 24일 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자