 나노공학·원자재배치·광합성 응용한
고성능 및 고안정성 리튬이온전지 개발
리튬이온전지는 에너지 밀도가 높고 미사용 시에 자기방전 정도가 작기 때문에 휴대폰이나 노트북, 전기자동차 등 이동식 전자기기에 많이 사용되고 있다. 하지만 전기화학적 반응속도가 느리므로 충전에 긴 시간이 필요하고, 에너지 저장 능력에 대한 한계가 나타나고 있다. 최근에는 리튬이온전지에 들어가는 코발트 가격이 상승하며 제조단가 상승의 문제도 대두되고 있다. 이런 리튬이온전지의 한계점을 극복하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.
정리 김경한 기자 | 자료 KAIST, UNIST, 한국연구재단
배터리 기술은 첨단 전자기기의 발전을 따라가지 못하고 있다. 18개월 주기로 트랜지스터 집적도가 2배로 향상된다는 ‘무어의 법칙’이나 플래시메모리 용량이 1년에 2배씩 증가한다는 ‘황의 법칙’과는 달리, 배터리 성능 향상은 상당히 더딘 편이다. 미국 씨넷에 따르면, 2007년부터 2015년까지 배터리 성능은 30%도 향상되지 못했다.
리튬이온전지로 대표되는 배터리의 기술력이 점점 첨단화되는 전자기기를 따라가지 못한다면 향후 산업 전반의 성장에도 제동이 걸릴 수밖에 없다.
더군다나 리튬이온전지의 핵심원료인 코발트는 세계 최대 생산국이자 세계 매장량의 절반 이상을 차지하는 콩고의 끊임없는 내전으로 인해 공급 불안정성이 지속되고 있다. 이런 상황 때문인지 코발트 가격은 2016년 2~3만 달러 수준이었으나, 올해에는 9만 달러에 달해 2년 만에 3배 이상 상승했다.
 [그림 1] 두 종류의 다공성 금속 산화물 및 그래핀 전극으로 구성된 수계 전해질 기반 하이브리드 에너지 저장 저장 소자의 모식도(좌)와 실제 구동 이미지 및 수명 특성을 나타낸 그래프(우).
이런 가운데 국내 연구진들이 리튬이온전지의 성능향상을 위해 다각도로 연구하며 신기술을 쏟아내고 있다. 8월 27일에는 KAIST 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 다공성 나노 입자를 활용해 고성능과 안정성을 갖춘 에너지소자를 개발했다고 발표했다. 8월 22일에는 UNIST 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수팀이 배터리에 들어가는 코발트 양을 획기적으로 줄이면서 성능도 개선하는 기술을 공개했다. UNIST와 숙명여대 공동연구팀은 7월 29일에 식물의 광합성 작용을 모사한 리튬공기전지용 촉매 시스템의 개발을 밝히기도 했다.
급속충전 가능한 다공성 에너지 저장소자
한국과학기술원(KAIST) EEWS대학원·신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 수십 초 내로 급속 충전이 가능하며 기존 리튬이온전지에 비해 100배 이상 빠른 출력 밀도를 보이는 소자를 개발했다. 이 소자는 다공성 금속 산화물 나노입자와 그래핀을 이용해 고성능 및 고안정성을 갖는 물 기반 하이브리드 에너지 저장 소자다.
리튬이온전지를 비롯한 기존 유계 에너지 저장 소자는 전기화학적 반응 속도가 느리기 때문에 소자를 충전하는 데 긴 시간이 필요하고 사이클이 짧다는 한계가 있다. 또한 넓은 전압 범위와 높은 에너지 밀도를 갖지만 유기 전해질의 사용에 따른 화재 등의 안전 문제가 뒤따른다.
이에 반해 수계 전해질 기반 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적 소자로써 주목받고 있다. 다만 제한된 전압 범위와 낮은 용량으로 인해 유계 기반 소자에 비해 에너지 밀도가 낮은 단점을 지니고 있다.
 [그림 2] 기존 양극 소재(NCM811)과 ‘무질서 구조의 리튬과잉 전이금속산화물’의 공정도 및 소재 조성 비교
: 왼쪽 그림은 NCM811 소재보다 후공정이 단순하다는 걸 보여준다. 오른쪽 그림은 양극 소재로 많이 사용되는 NCM622 물질이나 NCM811보다 코발트(Co)의 함량이 20% 이상 적어 가격 측면에서 상당히 유리하다는 걸 보여준다.
강정구 교수 연구팀은 다공성의 금속 산화물과 그래핀을 결합한 뒤 수계 기반 전해질을 사용해 높은 에너지 밀도와 고출력, 우수한 사이클 특성을 갖는 에너지 저장 전극을 개발했다.
이번 연구에서 개발한 다공성의 금속 산화물 나노 입자는 2~3나노미터 크기의 나노 클러스터로 이뤄져 있으며 5나노미터 이하의 메조 기공이 다량으로 형성돼 있다. 이러한 구조에서는 이온이 물질 표면으로 빠르게 전달되며 작은 입자크기와 넓은 표면적에 의해 짧은 시간 내에 많은 수의 이온이 금속산화물 입자 내부에 저장될 수 있다.
강 교수는 “다공성의 금속 산화물 전극이 가진 기존 기술 이상의 고용량, 고출력 특성은 새로운 개념의 에너지 저장장치 상용화에 기여할 것”이라며 “수십 초 내의 급속 충전이 가능하기 때문에 휴대폰, 전기자동차 등의 주전원이나 태양에너지를 전기로 직접 저장하는 플렉서블 기기에 적용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 강원대학교 정형모 교수 연구팀과 공동으로 진행됐으며, 재료 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 8월 15일 자 온라인판에 게재됐다.
코발트 함유량 줄인 고용량 배터리 소재
최근에는 리튬이온전지에 들어가는 코발트(Co) 가격이 상승하면서 배터리의 비용문제가 대두되고 있다. 이를 해결할 방법으로 코발트 양을 줄이면서 성능을 개선하는 기술이 꼽히는데, UNIST 연구진이 관련 대안을 제시했다.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수팀은 중대형 배터리에 적합한 양극 소재인 ‘리튬과잉 전이금속산화물’의 성능을 향상시킬 기술을 개발했다.
리튬 과잉 전이금속산화물은 250mA/g이 넘는 가역용량과 가격 경쟁력으로 주목받고 있다. 하지만 지속적인 충전과 방전 과정에서 작동 전압이 급격히 감소해 성능이 크게 저하된다.
조재필 교수팀은 소재 내부의 구조적 안정성을 증가시켜 전압강하를 효과적으로 억제했다. 리튬과잉 전이금속산화물의 한계를 극복하기 위해 구조 안정화도가 낮은 니켈을 과량 증가시켜 무질서한 원자배열을 형성시키는 방법을 제안한 게 핵심이다. 이 방법으로 합성한 ‘무질서 구조의 리튬과잉 전이금속산화물’은 기존 소재보다 전압강하율이 82% 감소할 수 있었다. 연구팀이 그 원리를 분석한 결과, 무질서한 원자 배열이 산소와 전이금속간의 결합성을 높여 과량의 리튬이 지속적으로 드나들어도 안정적인 구조가 유지되도록 돕는다는 것을 발견했다.
기존 리튬과잉 전이금속산화물은 전이금속과 산소 사이의 결합이 약하다. 이 상태에서 리튬이 지속적으로 드나들 경우, 구조가 불안정해지고 심지어 전이금속 이온들이 반응하지 못하는 구조로 변해 올바른 용량을 구현하지 못하게 된다. 하지만 무질서 구조의 양극 소재는 전이금속과 산소 사이의 결합성이 강해 안정적인 구조를 이루고 전이금속 이온들이 지속적으로 반응할 수 있게 된다.
그 뿐만 아니라, 이 물질은 현재 전지자동차나 ESS(에너지저장장치) 주요 양극 소재로 사용되는 물질(NCN622, NCM811)에 비해 용량이 20% 이상 늘어났다. 코발트 함량도 기존 소재보다 20% 이상 적게 사용돼 가격 면에서도 경쟁력을 확보했다.
이번 연구 결과는 세계적인 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8월 16일자 온라인판에 게재됐다.
광합성 반응 모사한 차세대 리튬공기전지
리튬이온전지는 200Wh/kg의 낮은 에너지 밀도 때문에 현재 이론적 한계에 다다르고 있다. 현재 상용되는 전기자동차는 주행거리가 200~300km 내외에 그쳐 한 번 충전으로는 서울에서 부산까지 가기도 어렵다. 가솔린자동차를 대체하기 위해서는 500km 이상의 장거리 운행이 요구되기 때문에 새로운 전지의 개발이 요구돼 왔다.
류원희 교수(숙명여자대학교)와 류정기 교수(울산과학기술원) 공동연구팀은 이런 리튬 이온 전지의 에너지저장 능력의 한계를 극복하기 위해 인공광합성 촉매를 적용한 리튬공기전지용 촉매시스템을 개발했다.
이 시스템의 핵심은 에너지밀도가 높지만 구동 시에 전지 수명이 저하되는 한계를 극복한 데에 있다.
리튬공기전지는 리튬이온전지보다 에너지밀도가 2~3배 높지만, 구동할 때의 생성물로 인해 전지의 수명이 저하되는 한계가 있다.
 [그림5] 자연광합성을 모사한 리튬공기전지용 고효율 촉매기술개발 모식도
연구팀은 자연모사 광합성 기술에서 사용되는 물분해 촉매 물질을 리튬공기전지에 도입했다. 광합성 작용이란 녹색식물이 빛 에너지를 이용해 이산화탄소와 물을 포도당과 같은 유기물과 산소, 수소 등을 합성해내는 것을 말한다.
이와 유사하게 연구팀은 리튬공기전지 내부의 전해액에 폴리옥소메탈레이드(Polyoxometalate, POM)라는 촉매를 분산 도포함으로써 전기화학적인 반응을 촉진시키고 용량과 수명을 크게 향상시켰다.
또한 촉매인 POM은 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.
류원희 숙명여대 교수는 “이 연구는 기초화학과 에너지·환경공학이 결합한 융합연구로, 자연광합성을 모사한 인공광합성 기술이 신개념 전지기술로 적용될 수 있는 교두보를 마련했다”며 “리튬공기전지 기반의 전기자동차 상용화에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(신진연구)의 지원으로 수행됐으며, 국제전문학술지 ACS 카탈리시스(ACS Catalysis) 6월 25일자에 게재됐다.
<Energy News>
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