기존 리튬이차전지보다 충전용량이 5~10배 큰 차세대 리튬공기전지 수명연장 기술이 개발됐다.
김희탁·박정기 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수 공동 연구팀이 차세대 리튬공기전지 수명연장 기술을 개발했다고 9일 밝혔다. 리튬공기전지 리튬금속을 보호막을 씌워 발생 가능한 문제점을 차단하는 방식이다. 전지기술 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.
리튬공기전지는 공기 중 산소와 리튬금속으로 구동되는 이차전지다. 기존 리튬이차전지보다 5배에서 10배 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 전기자동차 등 차세대 대용량 전지로 각광받고 있지만 양극에서 낮은 가역성과 에너지효율, 급속한 수명 저하가 한계로 지적됐다.
단점을 극복하기 위해 ‘산화환원 중계물질(Redox mediator)’이라는 촉매가 들어간 리튬공기전지가 개발돼 중계물질로 가역성이 획기적으로 향상됐다. 그러나 반응성이 높은 리튬 금속을 음극 소재로 사용하기 때문에 음극 표면이 쉽게 산화돼 전지 수명이 제한되는 것이 한계다. 가역성을 높이려고 중계물질이 리튬 금속에 노출되면 양극에서 중계 효과가 제한되고 중계물질이 소실돼 효율과 수명이 급격히 감소하는 문제가 있었다.
연구팀은 리튬 금속에 보호막을 씌우는 방법을 개발했다. 리튬 금속과 전해액의 직접 접촉을 물리적으로 차단하면서 리튬 이온만 효과적으로 전도시킬 수 있는 유무기 복합 보호층을 개발해 리튬 음극 표면에 도입한 것이다. 유무기 복합 보호층은 리튬 금속 음극의 급격한 산화를 억제하고 중계물질과 리튬금속 간 반응을 물리적으로 차단하는 역할을 한다.
연구팀은 리튬금속 음극 안정성과 중계물질 지속성을 동시에 높여 리튬공기전지 충전과 방전 사이클 수명을 세 배 연장하는 데 성공했다. 유무기 복합 보호층의 리튬 표면 안정화 기술은 리튬-황, 리튬 금속전지와 같은 차세대 리튬전지에도 적용 가능해 향후에도 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다.
김희탁 교수는 “차세대 에너지 저장장치인 리튬공기전지 수명 한계를 극복할 단서를 제시했다”며 “이는 리튬공기전지 실용화를 위한 유용한 전략이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 일반연구자사업과 기후변화대응기술개발사업 지원을 받아 수행됐다. 재료과학 학술지 ‘어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materials)’ 2월 3일자에 게재됐고, 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.
송혜영기자 hybrid@etnews.com
