류원희 숙명여대 교수 연구팀, 리튬공기전지용 친환경 촉매 개발

류원희 숙명여자대학교 화공생명공학부 교수 [사진=숙명여자대학교]

자연 추출 소재인 포피린계 금속 프탈로시아닌(Metal phthalocyanine)을 이용한 리튬공기전지 기술이 개발되어 차세대 전지기술의 새로운 연구방향을 제시하였다.

숙명여자대학교는 화공생명공학부 류원희 교수 연구팀이 능동형 산소결합이 가능한 포피린 기반의 리튬공기전지용 촉매 시스템을 개발했다고 23일 밝혔다.

지구온난화와 같은 환경문제를 해결하기 위한 온실가스 배출에 대한 규제가 가속화되며 기존의 가솔린 자동차를 전기자동차로 대체하고 있다. 리튬이온 이차전지 기반의 상용 전기자동차의 경우, 주행거리가 약 200~300km 내외로 한번 충전으로는 서울에서 부산까지 가기 어렵다. 현재 전기자동차의 짧은 주행거리는 잦은 충전이 필요하며, 긴 충전 시간과 배터리 방전에 대한 불안감으로 인해 전기자동차 대중화에 여러 가지 제약이 따르고 있다.

리튬공기전지는 리튬이온이차전지에 비해 2~3배의 높은 에너지밀도를 가지며, 500km 이상의 장거리 운행이 가능할 것으로 기대된다. 현재 리튬공기전지는 구동 시 부도체성 생성물로 인해 저항이 크게 발생하며 이로 인해 전지 수명이 크게 저하되는 문제가 지적되고 있다. 리튬공기전지의 성능을 향상하기 위해서는 고효율 촉매의 도입이 필요하며 상용 전기자동차의 대중화를 위해 촉매의 친환경 저가격화가 필수적이다.

류 교수 연구팀은 엽록소, 헤모글로빈 등 자연에서 쉽게 볼 수 있는 포피린의 능동적인 산소결합 특성에 기반하여 포피린계 물질로 잘 알려진 금속 프탈로시아닌을 리튬공기전지의 전해액 촉매로 도입하여 효율을 크게 향상하는 데 성공하였다. 각 프탈로시아닌의 중심에 위치한 금속의 종류를 다양하게 변화시킴으로써 전기화학적인 레독스 반응의 차이를 확인, 최적의 성능을 갖는 중심 금속의 종류를 밝혀냈다. 성능이 가장 뛰어난 망간 프탈로시아닌과 아연 프탈로시아닌 물질을 혼합시킴으로써 산소 환원반응 및 산소 발생 반응에 모두 효과적인 전해액 촉매를 개발하였다. 해당 혼합 촉매는 산소의 분율이 20% 이하인 실제 대기 분위기 조건에서도 높은 용량과 안정적인 수명 특성을 나타냈다.

류 교수는 "리튬공기전지는 초고에너지 이차전지로서 차세대 한계돌파형 전지기술로 주목받고 있다. 코발트나 니켈 금속 채광 및 자원확보 이슈 없이 대기 중 산소를 양극소재로 사용하는 친환경 미래 탄소중립 기술이며, 본 연구 성과를 통해 리튬공기전지 성능을 크게 향상시킬 수 있는 핵심 원천기술을 확보했다"라고 연구 의의를 설명했다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(우수신진연구, 선도연구센터) 및 원천기술개발사업 국가핵심소재연구단(특화형)의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials, IF=29.368)에 2월 17일 표지논문으로 게재되었다.