고려대 김동완 교수 연구팀이 리튬이온전지보다 에너지 저장용량이 5배 이상 높은 리튬산소전지의 내구성을 높일 수 있는 활성산소 제거기술을 개발했다.
연구팀은 고체형 활성산소 정화제를 합성하고 이를 적용해 전극 또는 전해질의 분해를 막았다.
리튬산소전지는 기존 리튬이온 전지대비 에너지 저장 용량을 약 5배 이상 높일 수 있다.
문제는 반응 중 생기는 활성산소가 지속적인 충방전을 방해하는 부산물을 만들어내는 것이다.
이번에 개발한 고체형 활성산소 정화제는 항산화물질인 유기게르마늄을 이용해 전지성능을 떨어뜨리는 활성산소를 잡아낸다.
그동안 항산화물질로 활성산소를 양극에서 빠르게 잡아내려고 했다.
하지만 활성산소가 많이 발생할 때에는 부산물 생성반응을 방지할 수 없었다.
용해성 물질로 음극까지 도달해 부식도 일으켰다.
연구팀은 탄소계 양(+)극 표면에 활성산소를 정화할 수 있는 불용성의 유기게르마늄을 나노선 모양으로 합성했다.
활성산소와 접촉면적을 넓혀 정화성능을 끌어올렸다.
활성산소를 잡아내 반응성 낮은 안정된 물질로 빠르게 전환함으로써 활성산소가 일으킬 수 있는 각종 부산물 생성반응을 방지 했다.
그 결과 기존 용해성 항산화물질과 달리 전압범위에 구애받지 않고 활성산소를 정화할 수 있게 됐다.
동결건조 방식으로 유기게르마늄 나노선을 합성해 경제적 양산에도 유리하다.
이렇게 양극에 유기게르마늄 나노선이 적용된 전지는 충방전의 과전압을 줄여 전지의 사이클 안정성을 크게 향상시키는 것으로 나타났다.
이론적 전지 작동 전압에 근접한 0.06V의 낮은 과전압과 우수한 사이클 안정성을 보였다.
활성산소로 인해 생겨나는 부산물인 탄산리튬을 크게 감소시킨데 따른 것이다.
김동완 교수는 "리튬-이온 이차전지뿐 아니라 연구개발 단계에 머물러 있는 차세대 이차전지의 상용화에 이바지 할 수 있는 도약연구가 될 것"이라고 전망했다.
이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 'ACS 나노'에 11월 24일 게재됐다.
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