리튬공기전지용 능동형 산소결합 친환경 촉매 개발

자연 추출 소재인 포피린계 금속 프탈로시아닌(Metal phthalocyanine)을 이용한 리튬공기전지 기술이 개발됐다.

포피린계 금속 프탈로시아닌은 탄소와 질소로 이루어진 사각형의 거대고리 중심부에 금속원자가 위치하고 있는 화합물을 말하며 산소와 능동적으로 결합하는 것으로 알려져 있다.

한국연구재단(이광복 이사장)은 22일 류원희 교수(숙명여자대학교)와 김종순 교수(성균관대학교) 공동연구팀이 능동형 산소결합이 가능한 포피린 기반의 리튬공기전지용 촉매 시스템을 개발했다고 밝혔다.

현재 리튬공기전지는 구동 시 부도체성 생성물로 인해 저항이 크게 발생하며 이로 인해 전지수명이 크게 저하되는 문제가 지적되고 있다.

리튬공기전지의 성능을 향상시키기 위해서는 고효율 촉매의 도입이 필요하며 상용 전기자동차의 대중화를 위해 촉매의 친환경 저가격화가 필수적이다.

연구팀은 엽록소, 헤모글로빈 등 자연에서 쉽게 볼 수 있는 포피린의 능동적인 산소 결합 특성에 기반하여, 포피린계 물질로 잘 알려진 금속 프탈로시아닌을 리튬공기전지의 전해액 촉매로 도입하여 효율을 크게 향상시켰다.

각 프탈로시아닌의 중심에 위치한 금속의 종류를 다양하게 변화시킴으로써 전기화학적인 레독스 반응(반응과정 중에 전자를 주는 산화반응과 전자를 받는 환원 반응이 일어남으로써 원자의 산화수가 달라지는 화학반응)의 차이를 확인, 최적의 성능을 갖는 중심 금속의 종류를 밝혀내었다.

성능이 가장 뛰어난 망간 프탈로시아닌과 아연 프탈로시아닌 물질을 혼합시킴으로써 산소환원반응 및 산소발생반응에 모두 효과적인 전해액 촉매를 개발하였다.

해당 혼합 촉매는 산소의 분율이 20% 이하인 실제 대기 분위기 조건에서도 높은 용량과 안정적인 수명 특성을 나타냈다.

류원희 교수는 “리튬공기전지는 초고에너지 이차전지로써 차세대 한계돌파형 전지기술로 주목받고 있다. 코발트나 니켈 금속채광 및 자원확보 이슈 없이 대기 중 산소를 양극소재로 사용하는 친환경 미래탄소중립 기술이며, 본 연구 성과를 통해 리튬공기전지 성능을 크게 향상시킬 수 있는 핵심원천기술을 확보하였다”고 설명했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 2월 17일 표지논문으로 게재되었다.

한편, 지구온난화와 같은 환경문제를 해결하기 위한 온실가스 배출에 대한 규제가 가속화되며 기존의 가솔린 자동차를 전기자동차로 대체하고 있다.

리튬이온이차전지 기반의 상용 전기자동차의 경우, 주행거리가 약 200~300 km 내외로 한번 충전으로는 서울에서 부산까지 가기 어렵다.

현재 전기자동차의 짧은 주행거리는 잦은 충전을 필요로 하며, 긴 충전시간과 배터리방전에 대한 불안감으로 인해 전기자동차 대중화에 있어 여러 가지 제약이 따르고 있다.

리튬공기전지는 리튬이온이차전지에 비해 2~3배의 높은 에너지밀도를 가지며, 500 km 이상의 장거리 운행이 가능할 것으로 기대된다.