미래형 ‘공기배터리’ 성능 높일 고효율 ‘첨가제’ 개발

 

공기를 전극으로 쓰는 ‘리튬공기배터리’는 현재 주로 사용하는 ‘리튬이온배터리’에 비해 충전 용량을 최대 5배 이상 높일 수 있어 ‘미래형 배터리’로 불린다. 특히 휴머노이드(인간형) 로봇, 산업 및 서비스용 운반 로봇, 자율주행자동차, 드론 등 다양한 로봇 기술 분야에서 큰 주목을 받고 있다.

 

이런 리튬공기배터리의 수명과 효율을 크게 높일 수 있는 첨가제를 국내 연구진이 개발했다. 리튬공기배터리의 고질적 효율저하 문제를 효과적으로 해결한 신기술이어서 향후 상용화 과정을 크게 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

 

곽원진 울산과학기술원(UNIST) 교수팀은 서성은 아주대 화학과 교수팀, 슈밍첸(Shuming Chen) 미국 오벌린대 교수팀과 공동으로 리튬공기배터리용 ‘산화환원 매개체(redox mediator)’를 개발했다고 10일 밝혔다.

 

산화환원 매개체는 전지 전해액 무게의 단 5%만 차지하는 첨가제다. 그러나 리튬공기배터리의 에너지효율과 수명을 결정하는 중요한 역할을 한다. 리튬공기배터리를 충전하려면 일반 배터리보다 상대적으로 대단히 전압이 필요한데, 이때 걸리는 전압을 낮춰주는 물질이 산화환원 매개체이기 때문이다. 산화환원 매개체를 쓰면 낮은 전압으로도 배터리를 충전할 수 있게 된다. 따라서 전지에 걸리는 과부하를 줄여 배터리 수명을 늘릴 수 있다.

 

지금까지 효과적인 산화환원 매개체를 개발하려는 노력이 이어졌지만 ‘활성산소(과반응을 일으키는 여분의 산소)’가 걸림돌이었다. 리튬공기배터리는 산소를 전극으로 사용하는데, 활성산소가 산화환원 매개체와 반응해 버리기 때문에 예상했던 본래 성능이 나오지 못하는 경우가 많았다.

 

 

 

▲ 울산과학기술원(UNIST) 연구진은 리튬공기배터리의 성능을 극대화 할 수 있는 새로운 첨가제를 개발했다. 이 물질은 리튬공기 배터리의 속 ‘산화환원 매개체’가 활성산소 과다 환경에서의 안정성을 가질 수 있도록 돕는다.(이미지=UNIST)

 

이에 공동 연구팀은 활성산소와 잘 반응하지 않는 산화환원 매개체를 새롭게 개발했다. 탄소 원자 1개(알파탄소)가 붙어 있는 특수 수소 분자를 이용해 화학반응을 최저로 낮춘 것이다. 이렇게 만든 새로운 산화환원 매개체 ‘BAC’는 활성산소, 그중에서도 리튬공기배터리 효율 저하에 가장 큰 영향을 미치는 ‘일중항산소’란 특수 활성산소에 노출돼도 배터리 충전 전압을 3.5V(볼트) 수준으로 동일하게 유지했다.

 

또 충전 과정에서 방출되는 산소의 비율도 각각 82%(노출전)와 79%(노출후)로 큰 변화가 없어 뛰어난 안정성과 가역성을 가짐이 확인했다. 기존의 산화환원 매개체는 일중항산소 노출 후엔 충전 전압이 크게 증가하고, 산소 발생량이 50% 이상 감소하는 경우가 대부분이다.

 

연구 제1 저자인 이현욱 UNIST 연구원은 이번 연구 과정에 대해 “분자의 입체 구조를 분석한 설계법을 통해 새로운 산화환원 매개체를 개발할 수 있었다”고 설명했다.

 

곽원진 교수는 “리튬공기배터리는 활성산소종에 의해 다양한 부반응이 나타나며 이를 제어하는 것은 시스템의 기술 수준 향상을 위해 필수적”이라며 “이번 연구에서 사용된 전해질 첨가제 설계과정은 리튬공기배터리 기술을 향상시킬 수 있는 것은 물론, 앞으로 다양한 촉매 개발과정에서도 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다.

 

이번 연구는 세계적 국제학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials)’ 1월 3일 온라인판으로 공개됐다. 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받았다.

 

 

 

▲ 울산과학기술원(UNIST) 연구진. 왼쪽부터 곽원진 교수, 이현욱 연구원, 윤홍빈 연구원. (사진=UNIST)

 

전승민 기자 enhanced@irobotnews.com

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