리튬-공기 이차전지용 고성능 촉매 개발 전기차 등에 적용 가능한 리튬-공기 이차전지 실용화 기대 허령 기자입력 2017-05-24 09:36:03

고려대 김동완 교수 연구팀은 전기차에 응용이 기대되는 차세대 이차전지 중 리튬과 산소의 산화와 환원을 이용해 전류의 흐름을 유도하는 차세대 리튬-공기 이차전지용 고성능 촉매를 새롭게 개발했다.
리튬-공기 이차전지는 리튬-이온 이차전지에 비해 에너지 밀도가 5~15배 이상 높다. 하지만 리튬-공기 이차전지는 충전 속도가 느리고 수명이 짧은 문제점을 갖고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선을 리튬-공기 이차전지용 공기극 촉매로 처음 개발한 결과, 20분대에 고속 충전이 가능하고 기존에 보고된 탄소계 촉매 적용 전지에 비해 리튬-공기 이차전지의 수명이 5배 향상되었다.
김동완 교수는 “본 연구는 리튬-공기 전지용 저가 촉매 신소재를 디자인하고, 대량합성이 용이한 나노공정을 개발한 것이다. 기존 탄소계 촉매에 비해 충전 속도와 수명이 크게 향상되었다. 개발된 이차전지를 전기차에 적용할 경우 주행거리 증가와 장기간 사용이 가능하게 될 것이다. 아직까지 연구 초기단계인 차세대 대용량 에너지 저장장치인 리튬-공기 이차전지의 실용화를 앞당길 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
김동완 교수 연구팀의 연구는 에너지 분야 국제적인 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 3월 22일(수)자의 표지 논문으로 게재되었다.

 

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망간 몰리브덴 산화물 나노선 리튬-공기전지 촉매의 고속 충전 및 장수명 특성
산소 결함이 다량으로 포함되어 있는 망간 몰리브덴 산화물 나노선을 합성해 충·방전 시에 산소와 리튬 산화물을 효과적으로 분해할 수 있는데, 충전과 방전을 하며 실제 산소 이용 효율을 계산해 밝혀냈다. 따라서 산소 이용 효율이 가장 높은 망간 몰리브덴 산화물 나노선을 리튬-공기 이차전지에 적용하면 그림 (좌)와 같이 20분대의 고속 충전 속도와 기존에 보고된 연구결과 대비 5배 정도 높은 용량을 구현할 수 있었다. 그림 (우)의 상단 부분은 산소 결함이 다량으로 포함되어 있는 망간 몰리브덴 산화물 나노선의 결정구조와 산소/리튬 산화물의 분해 반응을 나타내는 모식도이며, 하단은 고속 충·방전과 고용량 특성을 나타내는 그래프이다.

 

★ 연구 이야기 ★

 

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 리튬-공기 이차전지는 실용화를 위해 넘어야 할 많은 문제점이 있다. 그 중에서 가장 대표적인 것이 과전압으로 인한 에너지 손실과 느린 충·방전 거동, 짧은 수명이다. 이를 직접적으로 보완하기 위해 고효율의 전기촉매가 개발되어야 한다. 기존에 알려져 있는 고효율 전기촉매는 귀금속이 대부분이고, 가격이 저렴한 전기촉매 소재는 카본이다. 하지만 귀금속과 카본은 충전 시에 전해질의 분해를 일으키는 문제점을 갖고 있다. 이에 따라, 부반응이 많이 일어나는데 부반응은 대부분 과전압에서부터 발생한다. 따라서 획기적으로 과전압을 낮출 수 있는 전기촉매를 개발하는 것이 합당하다고 생각했다. 귀금속보다 저렴하면서 부반응을 줄일 수 있는 전이금속에 대한 연구를 진행했다. 이는 다양한 산화상태의 존재로 인해 전기촉매에 적절한 조성을 만들어 낼 수 있다고 판단됐기 때문이다. 특히 이 연구는 전이금속의 산화상태와 산소결함에 주목했다. 이는 열역학적으로 불안전한 표면의 상태가 산소를 잘 흡착하고 분해를 할 수 있다는 점에 착안한 것이다.

 

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 기존의 리튬-공기 이차전지에 적용한 전이금속 산화물에 대한 연구문헌을 참고하며 표면의 전이금속 이온들이 특정 산화상태가 될 때 전기촉매 활성이 나타나는 것을 깨달았고 안정된 화학적 결합에서 나타나는 산화상태가 아닌 다른 산화상태일 때 전기촉매 활성이 뛰어나다는 것을 발견했다. 이에 표면의 전이금속 산화물의 산화상태를 변조하기 위한 방법으로 산소 결함을 일으켰다. 조성을 탐색하는 중에서 회중석인 망간 몰리브덴 산화물이 약한 금속-산소 결합을 포함하고 있다는 것을 알아냈고, 본 연구를 진행하며 산소 결함 농도에 따라서 Mn 및 Mo 양이온의 산화상태를 분석해, 전기촉매 활성과의 상관관계를 풀어 나갔다.

 

Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 극복(해결)했는지.
A. 전기촉매의 활성 메커니즘은 명확하지 않다. 하지만 과거의 문헌들을 연구하면 전이금속계 촉매는 기체 또는 물분자의 흡착과 분해를 이론적으로 접근을 많이 한 상태이다. 이러한 촉매 이론은 리튬-공기 이차전지의 복잡한 유기 전해질에 적용하기에는 명확한 이론이 아니다. 이러한 이론에 접근하기 위해서는 명확한 화학적 분석이 필요했다. 근거를 만들기 위해 여러 가지의 화학적 표면 분석과 원소 단위의 산소 결함을 분석하기 위한 많은 시도들이 필요했다.

 

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 동일한 합성법으로 시간 제어를 해주면 동일한 형태의 망간 몰리브덴 산화물 나노선을 얻으면서 산소 결함 농도만 제어할 수 있다. 이에 따라, 동일한 조건에서 산소 결함 농도만 제어되기 때문에 산소 결함 농도에 따른 특성 변화를 규명할 수 있었다. 또한 기존의 전이금속 산화물 전기 촉매에 비교해 20분대의 고속 충전과 기존에 보고된 연구결과 대비 5배 정도 높은 용량을 구현할 수 있었다.

 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 이 연구결과를 이용해 다양한 조성의 전기촉매를 개발할 수 있는 길을 열었다고 생각한다. 표면의 결함이 잘 발생할 수 있는 조성을 개발하거나, 인위적으로 결함을 발생할 수 있는 방법에 대한 연구를 수행할 것이다. 뿐만 아니라 환경 분야에도 적용할 수 있는 수처리 전기촉매에 적용해 전이금속계 전기촉매에 대한 연구에 폭넓게 활용할 계획이다.

 

Q. 기타 특별한 에피소드가 있었다면.
A. 망간 몰리브덴 산화물 나노선을 수열합성법으로 합성할 계획이었다. 따라서 Mn과 Mo가 이온상태로 존재하는 용액을 얻으려고 많은 노력을 했다. 하지만 굉장히 빠른 속도로 침전이 일어났고, 너무 격렬해 수면 위로 부유하는 경우도 목격했다. 실온에서 반응이 이렇게 격렬하게 일어나면 결정 결함이 무수히 많겠다는 생각을 하게 되면서 연구가 시작되었다.

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  • Jhett 2017-06-01 You saved me a lot of haslse just now.
  • Janaya 2017-06-01 Mira el bombo que le dieron cuando Evo subió el precio de la gasEoina.ll de chile subre el gas un 16%, que si de por sí, eso aquí es una burrada, imagina en Chile y nadie dice nada.Sólo se cuenta lo que interesa, lo que sirva para mantener el sistema.