KAIST(총장 강성모) 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 리튬-공기전지의 상용화 가능성을 앞당기는 성과를 거뒀다. 연구팀은 최근 리튬-공기전지의 핵심 구성요소인 촉매를 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다.

연구팀은 촉매활성이 뛰어난 두 소재인 루테늄산화물(RuO2)과 망간산화물(Mn2O3)이 균일하게 분포된 이중 나노튜브 구조를 손쉽게 대량 제조하는 원천기술을 확보했고 이를 리튬-공기전지에 적용하는데 성공했다.

리튬-공기전지는 전기자동차에 쓰이는 리튬-이온전지를 대체할 차세대 전지로 주목받고 있으며 이번에 연구팀이 개발한 원천기술을 통해 리튬-공기전지의 상용화에 한 걸음 다가갈 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 나노재료 분야의 국제 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)' 3일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: One-Dimensional RuO2/Mn2O3 Hollow Architectures as Efficient Bifunctional Catalysts for Lithium-Oxygen Batteries)

리튬-공기전지는 리튬-이온전지에 비해 용량이 10배 이상 높고 대기 중의 산소를 연료로 활용하기 때문에 전기자동차를 위한 에너지 저장장치로 큰 주목을 받고 있다.

그러나 방전 시 생성되는 고체 리튬산화물(Li2O2)이 충전 과정에서 원활히 분해되지 않아 전지의 효율 및 수명이 저하돼 상용화에 어려움을 겪었다. 따라서 탄소재 양극 내 리튬산화물의 형성 및 분해를 안정적으로 도와주는 촉매 개발이 필요했다.

연구팀은 위의 문제 해결을 위해 루테늄과 망간 전구체가 녹아 있는 고분자 용액을 전기 방사했다. 이는 고분자 용액을 재료로 삼은 실을 뽑아내 루테늄-망간 전구체를 기반으로 한 고분자 복합 섬유를 합성해내는 기술이다.

이후 이 섬유를 고온 열처리하면 거푸집 역할을 하는 고분자 템플릿(Template)이 타서 없어진다. 그리고 루테늄산화물 및 망간산화물의 이종 물질이 함께 복합체를 이루는 이중튜브 구조의 촉매가 완성된다.

연구팀이 개발한 이중 튜브는 직경 220 나노미터의 외부튜브와 80 나노미터의 내부튜브로 이뤄져 안쪽 및 바깥쪽 벽이 동시에 촉매 반응에 참여할 수 있다. 또한 비어있는 공간이 많아 가볍다는 장점을 갖는다.

연구팀은 초기 충전, 방전 시의 과전압 차이가 약 0.8V 이내로 감소하는 효과를 얻었다. 기존 탄소재 사용시 과전압은 약 2.0V 이상이다. 특히 용량제한 1000 mAh/g 하에서 100사이클 이상의 안정적인 리튬-공기전지 특성을 확인했다.

김 교수는 "생산 공정이 매우 손쉽고 대량생산이 가능한 기술이다"라며 "촉매의 성능이 우수해 차세대 전지로 각광받는 리튬-공기전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것"이라고 말했다.

김상욱 KAIST 신소재공학과 교수와 공동 연구로 진행된 이번 연구는 윤기로 박사과정이 제1저자로 참여했다. 또한 '한국 이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터(Korea CCS R&D Center)' 및 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.

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