미국 에너지부 아르곤 국립연구소 연구진은 최근 금속 촉매로 은과 에너지를 저장하고 방출하는 리튬-산소 결합 배터리 구조를 연구하고 있다. 상용 전기차에 적용 가능한 더 뛰어난 성능의 배터리 개발이 목표다.
전기차를 충전할 때 리튬 이온들은 더 높은 에너지 상태 내에 저장된 양의 전극에서 음의 전극으로 이동한다. 전기차가 움직이기 시작하면 이 저장된 이온들이 전자의 형태로 에너지를 방출하고 다시 리튬 이온은 양의 전극으로 돌아간다. 현재 상용 중인 전극 물질들은 전극 사이의 리튬 이온 이동으로 효율적인 충전-방전 주기를 제공하지만 전기차가 보다 대중적으로 실용화되려면 여전히 성능 개선이 필요하다는 지적이다.
연구진이 개발하고 있는 배터리는 은 입자 촉매 활용으로 일반적인 리튬-이온 배터리보다 열 배의 에너지를 저장할 수 있고 한 번 충전으로 800㎞를 갈 수 있다. 산소와 리튬 원자들이 같은 공간에서 더 높은 에너지 밀도록 갖도록 금속 촉매로 화학적 결합을 형성했다.
기존 여러 연구에서도 화학적 결합을 돕는 촉매가 있었지만 그 크기를 밝혀내지는 못했다. 연구진은 이번 연구가 은 원자로 구성된 클러스터의 규모를 규정했다는 점에서 의미가 있다고 설명했다. 이에 바탕을 두고 최적의 성능을 발휘할 수 있는 클러스터 크기를 찾으면 은보다 더 저렴한 금속으로도 효율적인 촉매를 디자인할 수 있다는 설명이다.
기술 상용화까지 잠재적으로 10년에서 20년의 오랜 시간이 걸릴 것으로 예상하고 있다. 현재 일반적인 전기차의 충방전 횟수는 최소 1000번 이상인 반면에 이 배터리는 10번에서 40번의 충방전 주기 후 제 성능을 발휘하지 못한다는 문제가 있다. 하지만 금속 촉매들이 어떻게 전극상에서 반응하는지 이해하는 것으로 새로운 배터리 개발의 첫 단추를 채웠다는 평가다.
이 연구는 최근 과학전문지 네이처 커뮤니케이션에 ‘리튬-산소 배터리에서 리튬 과산화물에 대한 크기 선택적 은 클러스터의 효과’라는 제목으로 게재됐다.
박정은기자 jepark@etnews.com
