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게르마늄 활용, 고효율ㆍ장수명 리튬-산소 전지 개발

입력 2020-12-03 12:00

▲리튬-산소 전지용 고체형 활성산소 정화제의 작용 모식도. (사진제공=한국연구재단)
▲리튬-산소 전지용 고체형 활성산소 정화제의 작용 모식도. (사진제공=한국연구재단)

차세대 대용량 에너지 저장장치로 주목받는 리튬-산소 전지의 효율저하 원인인 활성산소를 게르마늄으로 제거하는 기술이 소개됐다.

한국연구재단(NRF)은 김동완 교수 연구팀(고려대학교)이 고체형 활성산소 정화제를 합성하고 이를 적용한 고효율, 장수명 리튬-산소 전지를 개발했다고 3일 밝혔다.

리튬-산소 전지는 기존 리튬이온 전지 대비 에너지 저장 용량을 약 5배 이상 높일 수 있지만, 반응 중 생기는 활성산소가 지속적인 충ㆍ방전을 방해하는 부산물을 만들어 내는 것이 문제였다. 기존에도 항산화 물질로 활성산소를 양극에서 빠르게 포획하려는 시도는 있었으나, 과도한 활성산소 발생 시에는 부산물 생성반응을 방지할 수 없었다. 또 용해성 물질로 음극까지 도달해 부식을 일으키는 단점이 있었다.

연구팀은 양극(탄소계 전극) 표면에 활성산소를 정화할 수 있는 불용성의 유기게르마늄을 나노선 모양으로 합성, 활성산소와 접촉면적을 넓혀 정화 활성을 끌어올리고자 했다. 전지 충ㆍ방전 시 전해질로 확산하는 활성산소를 포획해 반응성 낮은 안정된 물질로 빠르게 전환함으로써 활성산소가 일으킬 수 있는 각종 부산물 생성반응을 방지하도록 했다.

양극에 유기게르마늄 나노선이 적용된 전지는 충ㆍ방전의 과전압을 줄여 전지의 사이클 안정성을 크게 향상하는 것으로 나타났다. 활성산소로 인해 생겨나는 부산물인 탄산리튬을 많이 감소시킨 데 따른 것이다.

김동완 교수는 “실용화가 된다면 차세대 이차전지 기술발전은 물론, 전기자동차 기술 등 리튬이온 이차전지를 쓰는 산업 전반에 있어 대체될 시에는 획기적인 기술진보를 가져다줄 것”이라고 말했다.

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