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광합성 하듯이 촉매기술 이용한 친환경 리튬공기전지 개발차세대 이차전지 기술의 새로운 연구방향이 제시된 것
박현진 기자 | 승인 2018.07.29 22:28
좌로부터 숙명여자대학교 류원희 교수와 울산과학기술원(UNIST) 류정기 교수(사진:UNIST)

식물의 광합성 반응을 모사한 리튬공기전지가 국내 연구진이 개발해 주목을 받고 있다. 차세대 전지 기술의 새로운 연구방향이 제시된 것으로 숙명여자대학교 류원희 교수와 울산과학기술원(UNIST) 류정기 교수 공동연구팀이 인공광합성 촉매를 적용하여 리튬공기전지용 촉매 시스템을 개발한 것이다.

그러나 리튬공기전지는 구동할 때의 생성물로 인해 전지의 수명이 저하되는 한계가 있었으며, 또 리튬공기전지의 성능을 향상시키기 위해서 고효율 촉매가 도입되어야 하며, 전기자동차의 대중화를 위해 촉매는 친환경적이고 저렴해야 한다는 조건이 따랐다.

자연광합성을 모사한 리튬공기전지용 고효율 촉매기술개발 모식도: 자연광합성 시 식물 내에 존재하는 물산화반응 망간복합체를 모사한 폴리옥소메탈레이트를 이용하여 기존의 물분해 시스템뿐 아니라 차세대 전지인 리튬공기전지에 적용하여 효율을 높이는 데 성공하였다.

연구팀은 자연모사 광합성 기술에서 사용되는 물분해 촉매 물질을 리튬공기전지에 도입한 것으로 리튬공기전지 내부의 전해액에 폴리옥소메탈레이트(Polyoxometalate, POM)라는 촉매를 분산 도포함으로써 전기화학적인 반응을 촉진시키고 용량과 수명을 크게 향상시켰다.

또한 촉매인 폴리옥소메탈레이트는 형광등과 같은 생활의 빛에서 촉매 활성을 잃어버린다는 사실을 밝혀냈다. 이 독특한 특성을 활용하면 빛으로 촉매 활성을 자유자재로 켜고 끄는 ‘광 스위치’로 발전시킬 수 있다.

(좌) 리튬공기전지 전해액 이미지- 순수전해액, 촉매가 분산된 전해액, 형광등 노출 후 촉매가 용해된 전해액, (우) 촉매가 포함된 전해액의 리튬공기전지 성능 평가: 폴리옥소메탈레이트(Polyoxometalate, POM)을 전해액에 넣을 경우 녹지 않고 균일 분산된 형태로 존재하지만 형광등에 노출된 후 보라색으로 완전 용해된 상태로 변한다. 형광등에 노출된 촉매는 활성을 잃어버리며 빛에 노출 유무에 따라 촉매의 활성유무를 제어하는 기술로 활용가능하다.

류원희 교수는 “이 연구는 기초화학과 에너지·환경공학이 결합한 융합 연구로서, 자연광합성을 모사한 인공광합성 기술이 신개념 전지기술로 적용될 수 있는 교두보를 마련했다”며, “리튬공기전지 기반의 전기자동차 상용화에 도움을 줄 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다.

한편, 현재 상용되는 리튬이온전지로는 전기자동차의 주행거리가 200~300 km 내외에 그치며, 한 번 충전으로는 서울에서 부산까지 가기 어렵다. 반면 리튬공기전지는 리튬이온전지보다 에너지밀도가 2~3배 높으며, 전기자동차가 500 km 이상 장거리 운행할 것으로 기대된다. 이 연구 성과는 국제전문학술지 ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)에 6월 25일 게재되었다.

논문명:Polyoxometalate as a Nature-Inspired Bifunctional Catalyst for Lithium–Oxygen Batteries

박현진 기자  nwngm@naver.com

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