[붙임] 연구결과 개요

1. 연구의 필요성

○ 에너지저장장치로서 대표적인 리튬이온전지는 200 Wh/kg의 낮은 에너지 밀도 때문에 현재 이론적 한계에 다다르고 있으며, 스마트폰 등 다양한 전자기기의 전력원에서도 저용량 문제가 대두되고 있다.

○ 리튬이온전지를 기반으로 제조되는 상용 전기자동차는 주행거리가 약 200~300 km 내외로 서울-대전을 왕복하기에도 어렵다. 짧은 주행거리는 잦은 충전을 요하며, 다수의 충전소의 설치 문제나 외지에서 고립될 수 있는 문제도 있어, 대중화에 있어서 여러 가지 제약이 따르고 있다. 가솔린자동차를 대체하기 위해서는 500 km 이상의 장거리 운행이 요구되며 이러한 문제들은 이론적 에너지 밀도가 훨씬 큰 차세대 이차전지인 리튬공기전지를 도입함으로써 해결 가능하다.

○ 리튬공기전지는 양극으로 무거운 리튬금속산화물 대신 공기 내의 산소를 연료로 사용하며 리튬이온과 산소가 만나 리튬산화물을 형성하며 역반응인 분해반응을 통해 전지의 충방전이 이루어진다. 그러나 현 단계의 리튬공기전지는 구동 시 부도체성 방전산화물 생성으로 인해 큰 저항이 인가되어 효율이 떨어지며 이로 인해 짧은 수명 문제가 지적되고 있다. 이를 해결하기 위해 주로 고상의 귀금속 혹은 금속산화물 기반의 촉매물질을 전극 위에 도포하는 연구가 많이 진행되었으나 반응생성물에 의한 촉매 비활성화 문제나 귀금속 촉매물질의 사용으로 인한 가격상승문제는 리튬공기전지의 상용을 위한 걸림돌로 여겨지고 있다.

2. 연구내용

○ 자연광합성을 모사한 인공광합성 기술에서 물분해 촉매로 주로 사용하는 폴리옥소메탈레이트(Polyoxometalate, POM) 물질을 리튬공기전지의 공기극 촉매로 도입하여 효율을 크게 향상시키는 데 성공하였다.

○ 코발트가 함유되어 있는 폴리옥소메탈레이트 물질을 리튬공기전지 내부의 전해액에 분산 도포하여 전기화학적인 산화-환원 레독스반응*을 촉진시켰다. 전극내의 고정시키는 기존의 고체촉매들에 비하여 전해질 용액 내부에서 쉽게 이동할 수 있으며 코발트의 산화-환원 레독스반응이 리튬산화물의 형성과 분해를 촉진시켜준다. 이로 인해 리튬공기전지의 셀 저항이 크게 감소하며 용량과 수명이 약 2배 가량 향상되었다.

* 산화-환원 레독스 반응 : 폴리옥소메탈레이트 내 코발트가 전극/전해액 계면에서 2가와 3가로 산화와 환원을 거듭하는 반응이며 전기화학적 셀 반응시 충방전 성능을 도움.

○ 폴리옥소메탈레이트는 리튬공기전지 내 특정 전해액에서 선택적으로 반응하며 형광등과 같은 생활 빛 환경에 노출될 경우 촉매활성이 비활성화되는 것을 최초로 발견하였다. 이와 같은 선택적 촉매활성 특성을 발전시킬 경우 자유자재로 활성을 켜거나 끌 수 있는 온오프(on-off)타입의 촉매시스템을 개발할 수 있을 것으로 기대한다.

3. 연구성과/기대효과

○ 인공광합성 분야에서 자연모사 물분해 촉매로 주로 사용되는 폴리옥소메탈레이트 소재를 이용하여 리튬공기전지의 효율을 향상시키는 기술을 개발하였으며 향후 다양한 종류의 물분해 촉매소재를 차세대 전지소재로 적용시킬 수 있는 교두보를 마련하였다.

○ 리튬이온이차전지의 성능이 한계에 다다르면서 새로운 구동방식의 리튬공기전지의 도입이 해결책으로 제시되고 있다. 이 연구에서 보고하는 자연광합성 모사기술을 이용한 리튬공기전지용 촉매기술은 리튬공기전지의 상용화를 위한 돌파구가 될 수 있을 것으로 기대된다.

○ 환경-에너지 융합기술의 개발은 국가경쟁력을 좌우할 국가기반 기술이며 이 연구와 같은 기초화학-공학 분야의 교차결합연구는 다양한 신개념 기술을 도출할 수 있는 아이디어를 제공할 것으로 기대한다.

[붙임] 그림 설명

[붙임] 연구이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

우리 공동연구팀은 자연모사 소재를 이차전지(류원희 교수 연구팀)와 광전기화학 시스템(류정기 교수 연구팀)에 적용하는 연구에 관심이 많았다. 서로의 연구에 대해 토론하던 중 자연광합성을 모사한 촉매인 폴리옥소메탈레이트 소재가 물분해 시스템 활성을 높이는 반응 기작이 리튬공기전지에서도 효과가 있을까라는 호기심에 연구를 시작했다. 우연히 시도한 초기 연구결과가 굉장히 흥미로워서 보다 심도 있는 연구로 발전시키게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

폴리옥소메탈레이트를 비수계 전해액을 사용하는 리튬공기전지에 적용한 연구는 거의 없었다. 그래서 기본적인 전기화학적 특성을 차근차근 밝혀내며, 제로베이스에서 데이터를 쌓아가는 방식으로 연구를 진행했다. 다양한 용매에 대한 용매선택성도 밝혀냈고, 빛의 조사에 따른 촉매활성 변화도 발견했다. 리튬공기전지의 성능을 높이는 것 이외에 자연광합성을 모사한 물산화촉매의 독특한 성질을 알아가는 것이 매우 흥미 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)했는지?

기존의 리튬공기전지용 촉매 연구들은 촉매가 전해액에 완전히 녹은 상태를 사용했다. 그런데 폴리옥소메탈레이트를 전해액에 도포했을 때는 녹지 않고 분산된 상태로 존재했다. 촉매가 완전히 용해되어야 한다는 고정관념과 달리, 오히려 균일하게 분산된 상태에서 가장 좋은 촉매 활성을 발견했다. 예상과 다른 연구결과를 마주했을 때 부정적 해석보다 역발상이 빛을 발했다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이 연구에서는 자연광합성 모사 기술을 리튬공기전지 촉매 기술에 응용했다. 서로 다른 두 가지 분야를 성공적으로 융합시킨 사례로, 다양한 자연모사 기술을 리튬공기전지에 활용할 수 있는 가능성을 열었다. 또한 기존 촉매들과 달리 특정 전해액에서 선택적으로 반응하는 것과, 형광등과 같은 생활 빛에 노출되면 촉매가 비활성화되는 것을 최초 보고했다. 이러한 선택적 촉매활성을 발전시키면 자유자재로 촉매활성을 제어하는 스위치 타입의 촉매시스템을 개발할 수 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

전기자동차용 이차전지는 장거리 운행을 위해 높은 에너지밀도를 가져야 하며, 이론적으로 에너지 밀도가 가장 높은 리튬공기전지가 대안으로 꼽히고 있다. 이론적 수치에 훨씬 미치지 못하는 현재 전지성능을 이번 연구로 크게 개선시킬 수 있으며, 나아가 리튬공기전지의 실용화에 기여할 것이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

폴리옥소메탈레이트 소재의 라이브러리를 구축하고 최적의 자연광합성 모사 촉매를 도출할 계획이다. 역으로 리튬공기전지 기술을 인공광합성에 적용시키는 연구를 지속적으로 시도해가며 기존 연구와는 다른 신개념의 차세대 전지 시스템을 개발해 내는 것이 목표이다.