차세대 리튬전지 촉매 제조기술 개발

리튬이온 전지를 대신할 차세대 전기자동차용 리튬-공기전지의 성능을 획기적으로 높일 나노섬유 촉매 대량생산 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

카이스트(KAIST) 신소재공학과 김일두(사진) 교수팀은 촉매활성이 뛰어난 루테늄산화물(RuO₂)과 망간산화물(Mn₂O₃)이 균일하게 분포된 이중 나노튜브 구조 촉매를 손쉽게 대량 제조하는 원천기술을 확보하고, 이를 리튬-공기전지에 적용하는데 성공했다고 16일 밝혔다. 리튬-공기전지는 리튬이온전지보다 충전용량이 10배 이상 크고 대기 중 산소를 연료로 활용하기 때문에 전기자동차용 에너지 저장장치로 주목받고 있다.

그러나 방전 시 생성되는 고체 리튬산화물(Li₂O₂)이 충전 과정에서 원활히 분해되지 않아 전지 효율과 수명이 떨어지는 단점이 있다. 따라서 상용화하려면 리튬산화물의 생성 및 분해를 도와주는 촉매 개발이 요구됐다.

연구팀은 촉매활성이 뛰어난 루테늄산화물과 망간산화물이 균일하게 분포된 이중 나노튜브 구조의 촉매를 개발, 이 문제를 획기적으로 개선했다.

루테늄과 망간 전구체가 녹아 있는 고분자 용액을 전기 방사해 고분자 복합섬유를 합성하고 이를 고온 열처리해 거푸집 역할을 하는 고분자를 제거, 루테늄산화물과 망간산화물이 복합체를 이루는 이중튜브 나노구조 촉매를 완성시킨 것이다. 이중튜브는 지름 220나노미터(㎚=10억분의 1ｍ)의 바깥 튜브와 지름 80나노미터의 안쪽 튜브로 이루어져 있고 두 튜브가 모두 촉매 기능을 하며 공간이 많아 가볍다는 장점이 있다.

또 이 촉매를 리튬-공기전지에 적용, 초기 충·방전 시 과전압 차이를 탄소 재사용시의 약 2V에서 0.8V로 낮췄고 용량제한 1000㎃h/ｇ에서 100번 이상 안정적인 충·방전이 가능하다는 것을 확인했다고 연구팀은 밝혔다.

김 교수는 "이중튜브 나노섬유 촉매는 생산 공정이 단순하고 대량생산이 가능한 기술"이라며 "촉매의 성능이 우수해 차세대전지로 주목받는 리튬-공기전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것"이라고 말했다.

같은 대학 신소재공학과 김상욱 교수의 공동연구로 수행된 이번 연구 결과는 나노재료 분야 학술지 '나노 레터스(Nano Letters, 2월 3일자) 온라인판에 실렸다.

대전=임정재 기자 [e-mail]