한양대 연구팀, 세계 최초 고효율 리튬공기전지 개발

새로운 리튬공기전지 메커니즘 모식도 [그림=한양대 제공]

아주경제 최서윤 기자 = 한양대는 에너지공학과 선양국, 이윤정 교수 연구팀이 미국 연구팀과 함께 세계 최초로 고(高)효율 리튬공기전지 양극소재를 개발했다고 12일 밝혔다. 향후 상용화될 전기자동차의 주행거리와 스마트폰 배터리의 사용 시간 등을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

리튬공기전지는 음극으로 리튬, 양극으로 공기 중의 산소를 이용하며 음극에서는 금속의 산화·환원 반응, 공기극에서는 외부에서 유입되는 산소의 환원·산화 반응이 일어나 2차전지 및 연료전지 기술이 복합된 전지 시스템이다.

리튬공기전지는 에너지 밀도가 기존의 리튬이온전지보다 5~10배나 높다. 또한 양극 소재로 기존의 리튬이온전지에서 사용하던 니켈, 망간, 코발트 등의 금속을 사용하지 않고 탄소를 이용하기 때문에 가격경쟁력도 우수한 친환경적 차세대 전지 시스템이다. 리튬공기전지는 이러한 장점들에도 불구하고 에너지 효율이 떨어져 상용화에 어려움이 많아 새로운 양극 소재의 개발이 필요했다.

이에 한양대 연구팀이 소재 개발에 앞장섰고 미국 아르곤 국립연구소(ANL)의 래리 커티스, 칼 아민 박사의 분석을 통해 새로운 메커니즘을 발견했다. 

공동연구진이 개발한 리튬공기전지 양극 소재는 기존 리튬공기전지의 문제점인 낮은 에너지 효율을 해결할 수 있는 물질로, 표면적이 넓고 전도성이 좋은 그래핀 물질에 이리듐 나노 촉매를 올린 것이다.

탄소 물질인 그래핀은 넓은 표면적으로 리튬공기전지의 용량을 극대화 할 수 있으며 뛰어난 전도성으로 저항을 최소화해 에너지 효율을 증대시킬 수 있다.

또한 핵심 소재인 이리듐 나노 촉매는 매우 특별한 역할을 한다. 기존 리튬 공기 전지는 방전할 때 생성되는 안정한 물질인 리튬산화물(Li2O2)의 분해가 쉽지 않아 충전할 때 많은 에너지가 필요했다. 이번에 개발한 이리듐 나노 촉매는 기존 리튬공기전지의 메커니즘을 바꿔 방전 시 생성되는 안정한 Li2O2가 아니라 그 중간 단계 물질인 LiO2를 생성하고 더 이상 Li2O2로 변하지 않게 해 충전에 사용되는 에너지를 감소시켜 에너지 효율을 크게 향상시켰다.

선 교수는 “이번 연구는 기존의 리튬공기전지 패러다임을 바꿨고 앞으로 리튬공기전지 개발에 지대한 영향을 끼칠 것”이라며 “앞으로 리튬공기전지의 상용화를 위한 첫 걸음을 내디뎠다”고 말했다.

선 교수는 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials)'를 비롯해 SCI논문을 420여 편 발표할 정도로 리튬 2차전지 분야의 세계적 권위자다. 제1저자로 연구에 참여한 이윤정 교수는 '사이언스(Science)'를 포함한 학술지에 다수의 논문을 발표했으며, 차세대 리튬 2차전지 연구를 진행하고 있다.

이 연구결과는 세계적 학술지 '네이처(Nature)' 12일자 온라인 판에 게재됐다. 논문명은 ‘리튬 과산화물을 기반으로 한 리튬 공기 전지 (A Lithium-Oxygen Battery Based on Lithium Superoxide)’다.