▲ (左부터)Advanced Energy Materials 표지 선정 그림, 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선 리튬-공기전지 촉매의 고속 충전 및 장수명 특성.

국내연구진이 리튬-공기 전지 공기극에 적용 가능한 새로운 저가의 산화물 나노 촉매를 디자인하고, 촉매 활성을 극대화할 수 있는 나노구조, 결정학적 결함의 중요성을 입증하는데 성공했다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 김동완 고려대 교수 연구팀이 전기차에 응용이 기대되는 차세대 이차전지 중 리튬과 산소의 산화와 환원을 이용해 전류의 흐름을 유도하는 차세대 리튬-공기 이차전지용 고성능 촉매를 새롭게 개발했다고 지난 5일 밝혔다.

현재 널리 쓰이는 리튬-이온 이차전지는 전기자동차에 적용시 장거리 주행에 단점을 가져 이론적 에너지 밀도가 상용 리튬-이온 이차전지에 비해 5~15배 높은 ‘리튬-공기 이차전지’가 주목받고 있다.

‘리튬-공기 이차전지’의 공기극 촉매로는 카본계, 귀금속계(Pt, Au, Ag 등), 전이금속 및 산화물계 (MnO2, RuO2, Co3O4 등) 소재 연구가 진행되고 있으나, 현재 수명이 50사이클 미만으로 매우 낮고, 귀금속계는 가격이 매우 높아 저가의 금속산화물계 촉매 연구가 필요했다.

이에 연구팀은 MnMoO4 나노선을 합성한 후 리튬-공기 이차전지의 공기극 촉매에 처음 적용하였다.

공기극 촉매는 충방전에 따른 반복적인 산소의 환원/산화를 도와주는 역할을 하는데, MnMoO4는 약한 금속-산소 결합을 갖고 있어, 산소의 결정학적 결함을 조절하면 촉매 활성을 높일 수 있다는 점에서 아이디어를 착안했다.

망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선을 리튬-공기 이차전지용 공기극 촉매로 처음 개발한 결과, 20분 대로 고속 충전이 가능하고 기존에 보고된 탄소계 촉매 적용 전지에 비해 리튬-공기 이차전지의 수명이 5배가 향상됐다.

김동완 교수는 “이 연구는 리튬-공기 전지용 저가 촉매 신소재를 디자인하고, 대량합성이 용이한 나노공정을 개발한 것으로 기존 탄소계 촉매에 비해 충전 속도와 수명이 크게 향상됐다”며 “개발된 이차전지를 전기차에 적용할 경우 주행거리 증가와 장기간 사용이 가능하게 될 것이며 차세대 대용량 에너지 저장장치인 리튬-공기 이차전지의 실용화를 앞당길 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 수행됐으며 연구결과는 에너지 분야 국제적인 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials) 3월22일자 표지 논문으로 게재됐다.