김동완 교수팀, 리튬-공기 이차전지용 고성능 촉매 개발
전기차 등에 적용 가능한 리튬-공기 이차전지 실용화 기대

               ▲ 공과대학 건축사회환경공학부 김동완 교수

공과대학 건축사회환경공학부 김동완 교수 연구팀이 전기차에 응용되는 차세대 이차전지 중 리튬과 산소의 산화와 환원을 이용한 전류흐름을 유도하는 차세대 리튬-공기 이차전지용 고성능 촉매를 새롭게 개발했다.

* 리튬 : 원자번호 3번인 가장 가벼운 금속  
* 리튬-공기 이차전지 : 리튬 금속의 산화(음극)와 산소의 환원(양극, 공기극)을 이용하여 전류흐름을 유도하는 전기화학 전지. 이차전지란 건전지 등 한번 쓰고 버려지는 전지가 아니라 충전하여 재사용이 가능한 전기화학전지를 의미함.

미래창조과학부(장관 최양희) 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제적인 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials) 3월 22일자 표지 논문으로 게재됐다.

- 논문명 : MnMoO4 electrocatalysts for superior long-life and high-rate lithium-oxygen batteries  
- 저자 정보: 김동완 (교신저자, 고려대 교수), 강영구 (교신저자, 한국화학연구원 연구위원), 이광희 (제1저자, 고려대 연구교수), 이세운 (공저자, 고려대 석사과정), 김재찬 (공저자, 고려대 박사과정), 김동욱 (공저자, 한국화학연구원 책임연구원)

리튬-공기 이차전지는 리튬-이온 이차전지에 비해 에너지 밀도가 5-15배 이상 높다. 하지만 리튬-공기 이차전지는 충전 속도가 느리고 수명이 짧은 문제점을 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선을 리튬-공기 이차전지용 공기극 촉매로 처음 개발한 결과, 20분 대로 고속 충전이 가능하고 기존에 보고된 탄소계 촉매 적용 전지에 비해 리튬-공기 이차전지의 수명이 5배가 향상됐다. 
 * 리튬-이온 이차전지 : 1991년 상용화된 흑연(음극)과 리튬을 함유한 금속산화물(양극)을 이용   한 대표적 이차전지. 현재 대부분의 스마트폰, 노트북, 전기차 등에 사용 
* 에너지 밀도 : 단위 중량 (kg) 또는 단위 부피 (L)당 에너지량 (Wh/kg 또는 Wh/L) 
* 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선 :  망간과 몰리브덴 금속이 산소와 결합된 지름이 수십     나노 (10-9 m)인 선모양 산화물 소재  
* 공기극 : 리튬-공기 이차전지의 양극으로 산소의 환원/산화가 일어남. 산소의 환원/산화를 도   와주는 촉매가 필요

김동완 교수는 “이번 연구는 리튬-공기 전지용 저가 촉매 신소재를 디자인하고, 대량합성이 용이한 나노공정을 개발한 것이다. 기존 탄소계 촉매에 비해 충전 속도와 수명이 크게 향상됐다. 개발된 이차전지를 전기차에 적용할 경우 주행거리 증가와 장기간 사용이 가능하게 될 것이다. 아직까지 연구 초기단계인 차세대 대용량 에너지 저장장치인 리튬-공기 이차전지의 실용화를 앞당길 것으로 기대한다.”고 연구의 의의를 설명했다.

[ 용 어 설 명 ]

1. 어드밴스드 에너지 머터리얼즈 (Advanced Energy Materials)
  ○ 어드밴스드 에너지 머터리얼즈 (Advanced Energy Materials)는 독일 Wiley-VCH 출판사에 발행되며 Energy & Fuels, Chemistry Physical 분야 3위에 랭크되어 있다.(IF: 15.23)

2. 리튬
  ○ 리튬 : 원자번호 3번인 가장 가벼운 금속 

3. 리튬-공기 이차전지
  ○ 리튬-공기 이차전지 : 리튬 금속의 산화(음극)와 산소의 환원(양극, 공기극)을 이용하여 전류흐름을 유도하는 전기화학 전지. 이차전지란 건전지 등 한번 쓰고 버려지는 전지가 아니라 충전하여 재사용이 가능한 전기화학전지를 의미한다.

4. 리튬-이온 이차전지
  ○ 리튬-이온 이차전지 : 1991년 상용화된 흑연(음극)과 리튬을 함유한 금속산화물(양극)을 이용한 대표적 이차전지. 현재 대부분의 스마트폰, 노트북, 전기차 등에 사용

5. 에너지 밀도
  ○ 에너지 밀도 : 단위 중량 (kg) 또는 단위 부피 (L)당 에너지량 (Wh/kg 또는 Wh/L)

6. 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선
  ○ 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선 :  망간과 몰리브덴 금속이 산소와 결합된 지름이 수십 나노 (10-9 m)인 선모양 산화물 소재

7. 공기극
  ○ 공기극 : 리튬-공기 이차전지의 양극으로 산소의 환원/산화가 일어남. 산소의 환원/산화를 도와주는 촉매가 필요

8. 카본계
  ○ 카본계 : 원자번호 6번인 탄소의 다양한 결합으로 이루어진 물질 (흑연, 카본나노튜브, 그래핀 등)

9. 결정학적 결함
  ○ 결정학적 결함 : 결정은 원자나 분자가 주기적인 배열을 하고 있는데, 이 배열에서 원자의 빈자리 등 부분적인 불규칙이 나타난 상태. 산소 결함은 주기적인 배열에서 산소가 이탈된 상태 

10. 공침법
  ○ 공침법 : 서로 다른 이온들을 수용액 또는 비수용액에서 동시에 침전시키는 방법 

11. 율속
  ○ 율속 : 이차전지의 충전시 전류량 (mA/g). 충전 시간에 반비례

12. 열역학적 불안전성
  ○ 열역학적 불안전성 : 시스템이 주어진 온도와 압력에서 가장 낮은 에너지인 경우 안전 상태인데, 그에 이르지 못한 단계 

13. 산화상태
  ○ 산화상태 : 원자의 산화된 정도 (전자의 손실) 

[ 그 림 설 명 ]

(그림) (좌)Advanced Energy Materials 표지 선정 그림,  (우) 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선 리튬-공기전지 촉매의 고속 충전 및 장수명 특성

산소 결함이 다량으로 포함되어 있는 망간 몰리브덴 산화물(MnMoO4) 나노선을 합성하여 충·방전 시에 산소와 리튬 산화물을 효과적으로 분해할 수 있는데 이를 충전과 방전을 하면서 실제 산소 이용 효율을 계산하여 밝혀냈다. 따라서 산소 이용 효율이 가장 높은 MnMoO4 나노선을 리튬-공기 이차전지에 적용하면 (그림 (좌)), 20분 대의 고속 충전과 기존에 보고된 연구결과 대비 5배 정도 높은 용량을 구현할 수 있었다. 그림 (우 상단) 산소 결함이 다량으로 포함되어 있는 MnMoO4 나노선의 결정구조와 산소/리튬 산화물의 분해 반응 모식도. 그림 (우 하단) 고속 충․방전과 고용량 특성 그래프

출처 : 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)