[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

리튬공기전지1)는 공기 중 산소를 양극 물질로 사용하는 초경량 전지로써, 현재 전자기기 및 전기자동차에 사용되는 리튬이온전지2)보다 10배 이상 성능이 기대되는 차세대 전지이다. 그러나, 리튬공기전지 작동 중에 활성산소3)가 전지 내부의 유기 물질을 지속적으로 분해시켜 전지의 수명이 저하되는 문제가 리튬공기전지 상용화의 난제로 지적되어 왔다.

2. 연구내용

UNIST와 삼성종합기술원 연구팀은 리튬공기전지 내부의 유기 물질을 신규 고성능 세라믹 소재로 대체하여 리튬공기전지의 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다. 신규 세라믹 소재는 ‘혼합도체’4)라고 불리는 소재로써, 하나의 물질 내에서 리튬이온과 전자를 동시에 전도할 수 있어 전지 내부의 전해액5)과 도전재6)를 동시에 대체할 수 있는 고성능 소재이다. 또한 연구팀은 양자역학 모델링 기법을 이용하여, 여러 금속 중에서 망간 또는 코발트를 가지는 페로브스카이트 구조의 세라믹 소재가 높은 리튬이온전도도7)와 전자전도도8)를 동시에 발현한다는 점을 밝혀냈다.

3. 기대효과

밀도범함수 이론9) 시뮬레이션을 통해 차세대 전지로 주목받는 리튬공기전지의 상용화를 앞당길 수 있는 원천 소재 기술을 개발했다는 데 의미가 있다. 특히 신규 세라믹 소재는 전자와 리튬이온을 동시에 전달할 수 있기 때문에 각각 전극 도전재(높은 전자전도성 필요), 전해질(높은 이온전도성 필요)로 쓰일 수 있다. 뿐만 아니라 리튬공기전지 뿐만 아니라 다른 전지 분야에 적용될 가능성이 매우 높다.

[붙임] 용어설명

1. 리튬공기전지 (Li-air battery)

공기 중 산소를 양극 물질로 사용하는 초경량 전지로써, 현재 전자기기 및 전기자동차에 사용되는 리튬이온전지보다 10배 이상 성능이 기대되는 차세대 전지

2. 리튬이온전지

리튬공기전지와 작동 원리는 유사하나 양극 재료로 전이금속 합금을 사용한다.

3. 활성산소 (Reactive oxygen species)

산소 원자를 포함한, 화학적으로 반응성 높은 분자. 리튬공기전지 작동 중에 발생된 활성산소가 전지 내부의 유기 물질을 지속적으로 분해시켜 전지의 수명을 저하시킴

4. 혼합 도체 (Mixed Ionic–Electronic Conductor)

이온과 전자가 동시에 빠른 속도로 전달 가능한 물질

5. 전해액 (Liquid electrolyte)

양극, 음극, 분리막과 더불어 리튬 이온 배터리의 4대 구성요소 중 하나. 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 이동할 수 있도록 하는 매개체. 전해액은 염, 용매, 첨가제로 구성되어 있음. 염은 리튬이온이 지나갈 수 있는 이동 통로, 용매는 염을 용해시키기 위해 사용되는 유기 액체.

6. 도전재 (Conductive Agent)

전극 활물질의 전도성을 높이기 위해서 넣는 탄소 재료. 이번에 개발된 소재는 도전재와 전해액을 대체 할 수 있다.

 7. 이온전도도(ionic conductivity)

어떤 물질 등이 이온을 전달할 수 있는 정도

8. 전자전도도(electronic conductivity)

어떤 물질 등이 전자를 전달할 수 있는 정도

9. 밀도범함수 이론 (DFT, Density Functional Theory)

물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론의 하나

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

그림1. Advanced Energy Materials 표지. 개발된 복합 기능성 세라믹 소재는 전자(붉은색 구)와 리튬이온(자홍색 구) 전도성 모두가 우수함 나타냄.

그림2. (a) 양자역학 모델링(컴퓨터 모델링)을 통해 예측한 세라믹 소재의 조성에 따른 리튬 이온 전도도와 전기 전도도, (b) 페로브스카이트 결정 구조 내 리튬 이온의 확산 경로와 (c) 그에 따른 확산 활성화 에너지. 연두색 구: 리튬 이온, 하늘색 구: 타이타늄 이온, 노란색 구: 란타늄 이온, 빨간색 구: 산소 이온.

그림3. (a) 새롭게 개발된 혼합도체를 적용한 리튬공기전지 셀 구성, (b) 주사전자현미경으로 관찰한 충·방전 전후의 혼합도체 세라믹 입자의 형태 변화, (c) 100회 충방전에도 성능 저하 없는 우수한 수명 특성 규명.