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미래부, 리튬-공기 이차전지용 고성능 촉매 개발
2017-05-01

 
리튬-공기 이차전지용 고성능 촉매 개발
전기차 등에 적용 가능한 리튬-공기 이차전지 실용화 기대
미래창조과학부(장관 최양희)는 고려대 김동완 교수 연구팀이 리튬과 산소의 산화·환원을 이용해 전류의 흐름을 유도하는 차세대 리튬-공기 이차전지용 고성능 촉매를 개발했다고 밝혔다. 연구팀에 의하면, 이는 초기단계인 차세대 대용량 에너지저장장치인 리튬-공기 이차전지의 실용화를 앞당길 것으로 기대된다. 자료 : 미래창조과학부

현재 널리 쓰이는 리튬-이온 이차전지 시스템은 가솔린을 사용하는 내연기관에 비해 에너지 밀도가 낮아 중·대형급 이차전지 시스템으로 사용하기에는 적합하지 않다. 이는 전기자동차의 장거리 주행 시 큰 단점을 갖고 있으며, 이를 보완하기 위해서는 에너지 밀도가 높은 차세대 이차전지 시스템 개발이 필요함을 의미한다. 연구팀은 이에 주목하고 차세대 이차전지 시스템으로 가솔린과 비교하여 비슷한 에너지 밀도를 갖는 리튬-공기 이차전지가 가장 적합할 것이라고 판단했다. 
리튬-공기 이차전지는 이론적으로 높은 에너지 밀도를 갖고 있으나, 현재 전기촉매 소재는 높은 과전압(overpotential) 현상에서 오는 에너지 손실과 느린 충·방전 속도, 짧은 수명 등의 한계점이 있다. 이를 극복하기 위해 충·방전 시에 산소, 또는 리튬 산화물을 효과적으로 분해할 수 있는 전기촉매가 필요하다.

망간 몰리브덴 산화물을 전기촉매로 사용
충전과 방전으로 실제 산소이용 효율 규명
연구팀은 산소결함을 다수 포함하고 있는 회중석 결정구조의 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4)을 리튬-공기 이차전지의 전기촉매로 처음 개발하여 적용했다. 회중석 결정구조에서 Mn(II)와 Mo(VI) 양이온 사이에서 산소음이온이 결합되는 부분에서 산소결함이 나타나면서 수많은 결함이 발생하게 된다. 이에 따라 Mn 양이온과 Mo 양이온이 내부 결정에서의 양이온과 다른 산화상태가 발생한다. 이들의 산화수 차이와 산소결함에 의해서 산소환원/발생 활성이 나타나는 중요한 역할을 한다.

이번 연구에서 진행된 합성법은 기존 공침법보다 침전진행이 빨라 대량합성이 가능할 뿐 아니라, 특정 한 면 방향으로 배향이 일어나 1차원 성장이 가능해 균일한 MnMoO4 나노선을 얻을 수 있다. 또한, 다량의 산소결함을 포함한 MnMoO4 나노선은 결정격자 내부에 존재하는 Mn(II)와는 달리 Mn(III)의 양이 증가했으며, 이와 마찬가지로 결정격자 내부에 존재하는 Mo(VI)를 대신하여 Mo(V)의 양이 증가했다. 특히 공침법으로 인한 합성시간을 제어할 때 산소결함의 농도제어는 물론, 제어된 산소결함 농도와 Mo(VI) 및 Mo(V) 양이온의 농도와의 관계가 비례함을 밝혀냈다.
산소결함이 다량으로 포함(약 40%)된 MnMoO4 나노선은 충·방전 시 산소와 리튬 산화물을 효과적으로 분해할 수 있는데, 이를 충전과 방전을 하면서 실제 산소 이용 효율을 계산해 밝혀냈다. 따라서 산소 이용효율이 가장 높은 MnMoO4 나노선을 리튬-공기 이차전지에 적용하면, 20분대의 고속 충전과 기존에 보고된 연구결과 대비 5배 정도 높은 용량을 구현할 수 있었다.

[그림 1] Advanced Energy Materials 표지 


김동완 교수[교신저자]

차세대 이차전지 기술과 경제성 확보 기대
차세대 대용량 에너지 저장장치 실용화 앞당길 듯
리튬-공기 이차전지용 공기극의 전기촉매는 연구 초기 단계로 산소환원/발생(산소/리튬 산화물 분해) 활성 메커니즘이 아직까지 명확하게 규명되지 않아 학문적으로 충분한 가치가 있다. 특히 전이 금속계 전기촉매를 결정학적 결함과 산화상태를 제어할 수 있다면 그에 따른 고성능 특성을 구현할 수 있다는 가능성을 제시했다. 이 연구는 산소결함과 노출 결정면의 양이온 산화상태에 의해 발생되는 전기촉매 활성에 대한 이론을 뒷받침 할 수 있는 실질적 연구와 함께 차세대 이차전지 기술과 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 전기촉매 개발은 다른 이차전지(아연-공기 이차전지, 나트륨-공기 이차전지) 등에 적용할 수 있는 확장성이 있을 것으로 보인다. 산소 혹은 수소를 발생시킬 수 있는 다른 분야와 환경 분야의 전기촉매로 응용이 가능하기 때문에 이 연구의 실용성 및 파생적 파급력이 매우 크다고 판단할 수 있다.

김동완 교수는 “이 연구는 리튬-공기 전지용 저가촉매 신소재를 디자인하고, 대량합성이 용이한 나노 공정을 개발한 것”이라고 밝히고, “기존 탄소계 촉매에 비해 충전 속도와 수명이 크게 향상됐다”고 설명했다. 김 교수는 “이번에 개발된 이차전지를 전기차에 적용할 경우, 주행거리 증가와 장기간 사용이 가능하게 될 것”이라고 설명한 후, “아직까지 연구 초기단계인 차세대 대용량 에너지 저장장치인 리튬-공기 이차전지의 실용화를 앞당길 것으로 기대된다”고 이번 연구에 의미를 부여했다.

이 연구는 에너지 분야 국제적 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 3월 22일자 표지 논문으로 게재됐으며, 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
논문명 : MnMoO4 electrocatalysts for superior longlife and high-rate lithium-oxygen batteries
저자정보 : 김동완(교신저자, 고려대학교 교수), 강영구(교신저자, 한국화학연구원 연구위원), 이광희(제1저자, 고려대학교 연구교수), 이세운(공저자, 고려대학교 석사과정), 김재찬(공저자, 고려대학교 박사과정), 김동욱(공저자, 한국화학연구원 책임연구원)

[그림 2] 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선 리튬-공기전지 촉매의 고속 충전 및 장수명 특성
(좌상) 산소 이용효율이 가장 높은 MnMoO4 나노선을 리튬-공기 이차전지에 적용하고, 20분대의 고속충전과 기존에 보고된 연구결과 대비 5배 정도 높은 용량을 구현할 수 있었다. (우상) 산소결함이 다량으로 포함되어 있는 MnMoO4 나노선의 결정구조와 산소/리튬 산화물의 분해 반응 모식도. (하) 고속 충·방전과 고용량 특성 그래프

용어설명
1. 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials) : 독일 Wiley-VCH 출판사가 발행하며 Energy & Fuels, Chemistry Physical 분야 3위에 랭크되어 있다.(IF: 15.23)
2. 리튬 : 원자번호 3번인 가장 가벼운 금속.
3. 리튬-공기 이차전지 : 리튬 금속의 산화(음극)와 산소의 환원(양극, 공기극)을 이용하여 전류흐름을 유도하는 전기화학 전지. 이차전지란 건전지 등 한번 쓰고 버려지는 전지가 아니라 충전하여 재사용이 가능한 전기화학전지를 의미한다.
4. 리튬-이온 이차전지 : 1991년 상용화된 흑연(음극)과 리튬을 함유한 금속산화물(양극)을 이용한 대표적 이차전지. 현재 대부분의 스마트폰, 노트북, 전기차 등에 사용된다.
5. 에너지 밀도 : 단위 중량(kg) 또는, 단위 부피(L)당 에너지량(Wh/kg 또는 Wh/L).
6. 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선 : 망간과 몰리브덴 금속이 산소와 결합된 지름이 수십 나노(10-9 m)인 선모양 산화물 소재.
7. 공기극 : 리튬-공기 이차전지의 양극으로 산소의 환원/산화가 일어남. 산소의 환원/산화를 도와주는 촉매가 필요.
8. 카본계 : 원자번호 6번인 탄소의 다양한 결합으로 이루어진 물질(흑연, 카본 나노튜브, 그래핀 등).
9. 결정학적 결함 : 결정은 원자나 분자가 주기적인 배열을 하고 있는데, 이 배열에서 원자의 빈자리 등 부분적인 불규칙이 나타난 상태. 산소 결함은 주기적인 배열에서 산소가 이탈된 상태.
10. 공침법 : 서로 다른 이온들을 수용액 또는 비수용액에서 동시에 침전시키는 방법.
11. 율속 : 이차전지의 충전 시 전류량(mA/g). 충전 시간에 반비례.
12. 열역학적 불안전성 : 시스템이 주어진 온도와 압력에서 가장 낮은 에너지인 경우 안전상태인데, 그에 이르지 못한 단 계.
13. 산화상태 : 원자의 산화된 정도(전자의 손실).
 

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