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Research

이차전지의 문제점을 해결해 줄 새로운 전극촉매 개발

  • 조회. 248
  • 등록일. 2020.01.09
  • 작성자. 홍보팀

| 차세대 이차전지인 '리튬공기전지' 전극 촉매 핵심기술 개발
| 전지의 효율, 용량, 수명 한꺼번에 개선...향후 다양한 활용 기대돼

 

DGIST 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감 교수(우)와 에너지공학전공 현수연 박사과정생(좌) ⓒDGIST

 

 DGIST 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감 교수팀이 차세대 이차전지인 리튬공기전지1)의 효율과 수명을 향상시키는 촉매 관련 핵심기술을 개발했다고 밝혔다. 기존의 리튬공기전지가 갖던 단점들을 해결할 수 있는 원천기술로써, 향후 다양한 분야에서의 활용이 기대된다.

 차세대 이차전지로 각광받고 있는 리튬공기전지는 기존의 리튬이온전지보다 에너지밀도가 3~5배 이상 높고 무게가 가볍다. 하지만 수명이 짧고 효율이 좋지 않은 단점을 갖고있다. 또한 충전에 쓰이는 일반적인 촉매인 백금이나 산화이리듐도 내구성이 낮고 가격이 비싸, 이차전지 상용화에 큰 걸림돌이었다.

 이에 샨무감 교수팀은 전지를 충전하는데 필요한 촉매에 대한 연구를 진행해 이차전지의 효율과 용량을 개선하는데 성공했다. 리튬공기전지의 양극(+)과 음극(-)에 전류를 원활하게 흐르도록 도와주는 촉매로써 황화니켈코발트(NiCo2S4)를 활용해 촉매를 사용하지 않았을 때보다 리튬공기전지의 방전 시 생성되는 리튬과산화물(Li2O2)를 효과적으로 분해하도록 했다. 이는 충전 시 필요한 과전압을 최종적으로 감소시켜 전지의 충전 효율과 용량을 개선하는 데에도 긍정적인 영향을 줬다.

 또한 리튬공기전지가 갖는 그래핀 구조 표면에 황화니켈코발트(NiCo2S4)로 코팅해 전지 수명 개선에도 성공했다. 전지 수명의 개선은 전지가 활발히 작동하는 동안 전극 표면에서 발생하는 부가적인 화학반응을 막는데 달려있다. 이를 위해서 샨무감 교수팀은 황이 첨가된 리튬공기전지의 그래핀 표면에 황화니켈코발트(NiCo2S4)로 코팅시킨 새로운 전극을 개발했다. 이는 전지 수명을 낮추고 방전을 유도하는 물질과의 직접 접촉을 차단하는데 성공할 수 있었다.

 이번 연구를 이끈 DGIST 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감 교수는 “향후 전기자동차나 로봇 등 다양한 산업분야에서의 활용이 기대되는 리튬공기전지의 상용화를 앞당겼다는데 큰 의의가 있다”며 “이번 연구를 통해 리튬공기전지의 짧은 수명과 용량을 개선하는 원천 기술을 확보할 수 있어 매우 기쁘며, 최종 상용화를 위해 연구를 계속해 나갈 예정이다”고 말했다.

 한편, 이번 연구는 2019년 과학기술정보통신부 대구경북과학기술원 연구운영비 지원을 통해 진행됐다. 연구 성과는 재료과학분야 세계적 학술지 Applied Catalysis B: Environmental 온라인판에 지난 해 10월 20일(일) 게재됐다.

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1) 리튬공기전기(lithium-air battery): 충전과 방전 과정에서 산화물의 결합, 분해로 에너지를 생성하는 신기술을 활용한 배터리. 스마트폰이나 전기차에 탑재되는 리튬이온배터리보다 성능이 좋아 ‘차세대 꿈의 배터리’로 불림.


   연구결과개요   

The synergistic effect of nickel cobalt sulfide nanoflakes and sulfur-doped porous carboneous nanostructure as bifunctional electrocatalyst for enhanced rechargeable Li-O2 batteries
(Suyeon Hyun, Byungrak Son, Hasuck Kim, Jakkid Sanetuntikul, Sangaraju Shanmugam)
(Applied Catalysis B: Environmental, on-line published on October 20th. 2019) 


 리튬이온전지를 잇는 차세대 이차전지로 각광받고 있는 리튬공기전지는 리튬이온전지 대비 에너지밀도가 3~5배 이상 높고 무게가 가벼워 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 여전히 수명이 짧고, 이론 에너지밀도 대비 효율이 높지 않다는 단점이 있다. 리튬공기전지도 다른 전지와 마찬가지로 양극과 음극 사이에서 전자가 오고 가며 충전 및 방전이 일어난다. 금속과 공기 사이에서 전자가 오고 가는 데에는 촉매가 중요한 역할을 한다. 전지의 원활한 충방전을 위해 주로 백금이나 산화이리듐 등 귀금속 기반 물질을 양극 촉매로 활용해왔으나, 내구성이 낮고 가격이 비싸 상용화에 걸림돌이 되었다. 
 본 연구팀은 저렴한 전이금속 기반의 NiCo2S4를 황이 도핑된 삼차원 다공성 그래핀(S-3DPG) 담체에 성장시켜 양극 복합촉매로 활용하였고, 14,173 mAhg−1의 높은 배터리 용량과 전지 용량 손실 없이 1700시간 이상 충방전이 가능한 리튬공기전지를 개발하였다. 나노플레이크 구조의 NiCo2S4은 우수한 촉매 활성을 보여 충방전 시 과전압을 감소시켜 충방전 효율을 높였고, 황이 도핑된 다공성 그래핀을 담지체로 활용하여 전기전도성 및 전지 용량이 향상되었다. 특히, 황 도핑 그래핀 표면에 담지된 NiCo2S4는 산소 흡착에너지의 조절을 통해 방전 시 생성되는 리튬과산화물(Li2O2)의 성장경로를 제어하여, 충전 시 쉽게 분해 가능한 형태를 지닌 작은 나노 사이즈의 리튬과산화물이 생성되도록 하였다. 그 결과, 충전을 위해 필요한 전압을 감소시켜 충방전 효율을 높일 수 있었다. 또한, 황 도핑 그래핀 표면에 담지된 NiCo2S4는 그래핀과 방전생성물 및 중간생성물과의 직접적인 접촉을 막아 상용 카본 기반 전극 표면에서 일어나기 쉬운 부반응의 가능성을 대폭 줄였다. 그 결과, 내구성이 뛰어난 전극을 개발할 수 있었다. 본 연구를 통해 고용량 및 고안전성 특성을 지닌 금속공기전지에 활용 가능한 전극 소재 원천기술을 확보했다고 할 수 있다. 

DOI : 10.1016/j.apcatb.2019.118283


   연구결과문답   

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
 지금까지 금속공기전지 양극과 관련된 연구가 많이 시행되어 왔으나, 여전히 일정 시간 이상 구동 시 전지 용량 감소 및 짧은 수명을 보였다. 또한, 용량이 높으면 수명이 짧고, 수명이 개선되면 용량이 작아 전지의 성능과 내구성 모두를 고려하는 전극 촉매 소재 원천기술이 확보되지 못한 실정이다. 
 본 연구에서는 적절한 구조와 조성의 촉매를 개발하여 높은 전지 용량을 유지하면서 동시에 긴 수명의 리튬공기전지를 구현하였다는 데 의의가 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
 리튬공기전지는 리튬이온전지 대비 높은 에너지 밀도를 보여 전기자동차 전력원으로 활용 시 대폭적으로 주행거리를 늘릴 수 있다. 또한 가벼운 무게로 지능형 로봇 및 다양한 웨어러블 기기의 전원으로 활용될 수 있다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
 현재 양극 개발에 초점을 두고 연구를 진행하고 있지만, 전지의 실용화를 위해서는 무엇보다 전해질, 음극 등 다른 파트에서의 연구가 함께 병행되어야 한다. 모든 파트에서의 핵심기술 확보 후, 내후년쯤부터 기업과 연계하여 시제품 제작에 돌입할 수 있을 것으로 보인다. 

Q. 연구를 시작한 계기는?
 현재 상용되는 리튬이온전지의 경우 자동차 주행거리가 300km 내외여서 1회 충전으로 서울-부산 왕복주행은 여전히 어렵다. 따라서 충전 주행거리를 대폭 증가할 수 있는, 즉 더 많은 에너지를 낼 수 있는 높은 에너지밀도를 지닌 차세대 이차전지의 개발이 필요하다고 생각하여 리튬공기전지 연구를 시작하게 되었다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?
 전지의 원활한 충방전을 위해 주로 백금이나 산화이리듐 등 귀금속 기반 물질을 양극 촉매로 활용해왔으나, 내구성이 낮고 가격이 비싸 상용화에 걸림돌이 되었다. 본 연구팀은 저렴한 전이금속 기반의 NiCo2S4를 황이 도핑된 다공성 그래핀 담체에 성장시켜 양극 촉매로 활용하여 14,173 mAhg−1의 높은 배터리 용량을 얻었고, 두 달 (1704시간) 이상 구동 시에도 용량 손실 없이 충방전이 가능하였다. 개발한 전극 촉매는 고용량 및 고안전성 특성을 지녀 전극 소재 원천기술을 확보했다고 할 수 있다. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
 사실 아직 금속공기전지 연구는 상용화 단계에 진입하지 못하였다. 후속 연구로 전지 내부 전해액의 촉매파트의 연구를 추가적으로 진행하여 금속공기전지의 실용화가 가능한 결과를 내고 싶다. 


   그림 설명   
 

[그림] 리튬공기전지와 개발 촉매를 적용 했을 때의 전지 충방전 모식도

(그림설명) 
 왼쪽 그림은 리튬공기전지의 구성과 작동원리에 대한 그림이며, 방전시 ORR반응이(리튬과산화물 생성), 충전시 OER반응이(리튬과산화물 분해)양극에서 일어납니다. 이 반응들이 잘 일어날 수 있도록 도와주는 촉매를 개발하여 전지의 효율을 향상시키고자 하였습니다. 
 오른쪽 그림은 전지 충방전 곡선입니다. 오른쪽 그림을 통해 각각의 촉매를 사용하였을 시의 충방전 효율과 용량을 알 수 있습니다.

 

 

https://scholar.dgist.ac.kr/researcher-profile?ep=1245

 

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