차세대 대용량 에너지 저장장치로 주목받는 리튬-산소 전지의 효율저하 원인인 활성산소를 제거하는 기술이 소개됐습니다. 리튬-산소 전지는 기존 리튬이온 전지 대비 에너지 저장 용량을 약 5배 이상 높일 수 있지만, 반응 중 생기는 활성산소가 지속적인 충방전을 방해하는 부산물을 만들어 내는 것이 문제였습니다.
그런데 고려대학교 김동완 교수 연구팀이 고체형 활성산소 정화제를 합성하고 이를 적용한 고효율, 장수명 리튬-산소 전지를 개발했습니다. 해당 연구는 'ACS Nano'에 게재됐습니다.
- 활성산소 정화제
반응성이 큰 활성산소를 포획 및 정화해 전극 또는 전해질의 분해를 억제할 수 있는 물질입니다.
활성산소 정화제 연구, 왜 필요할까
대부분의 연구는 기존의 전극 소재 및 전해질 개선을 통한 리튬-산소 전지의 고성능화에 집중돼 있어 전해질 또는 전극의 활성산소 종에 의한 산화스트레스가 유발하는 부반응을 억제하려는 연구는 미비합니다.
최근 전지의 효율을 증대시키기 위한 연구는 양극제 촉매와 더불어 전해질에 용해를 시키는 용해성 촉매 또는 산화/환원 매개체에 초점이 맞춰져 있습니다. 기존 용해성 촉매 또는 산화/환원 매개체는 유기계 전해질에 용해된 상태로 적용되기 때문에 양극과 음극을 통과하며 교차반응과 그 외의 부반응을 일으킬 수 있습니다. 또한 방전 과정 중에 활성산소 종의 효율적인 소모에만 집중되어 있어 과도한 활성산소 종이 발생할 시에 전지의 열화를 막아주지 못합니다. 따라서 고효율과 장수명 특성을 모두 달성하기 위해 전해질에 녹지 않으며 부반응을 경감 시킬 수 있는 활성산소 정화제 연구가 필요한 실정이었습니다.
전지 노화 일으키는 활성산소 잡으려면?
리튬-산소 전지에 고체형 활성산소 정화 개념을 도입했으며 고체형 활성 산소 정화제인 유기게르마늄 나노선을 합성하여 적용했습니다. 항산화물질인 유기게르마늄을 이용해 전지성능을 떨어뜨리는 활성산소를 포획해 정화한 겁니다.
기존에도 항산화물질로 활성산소를 양극에서 빠르게 포획하려는 시도는 있었습니다. 하지만 과도한 활성산소 발생시에는 부산물 생성반응을 방지할 수 없었죠. 또 용해성 물질로 음극까지 도달해 부식을 일으키는 단점이 있었습니다.
이에 연구팀은 양극(탄소계 전극) 표면에 활성산소를 정화할 수 있는 불용성의 유기게르마늄을 나노선 모양으로 합성했고, 활성산소와 접촉면적을 넓혀 정화활성을 끌어올리고자 했습니다. 전지 충방전시 전해질로 확산되는 활성산소를 포획하여 반응성 낮은 안정된 물질로 빠르게 전환함으로써 활성산소가 일으킬 수 있는 각종 부산물 생성반응을 방지하도록 했습니다.
물리적으로는 물론 화학적으로 활성산소에 의한 전지의 성능저하를 막으려는 시도로, 그 결과 기존 용해성 항산화물질과 달리 전압범위에 구애받지 않고 활성산소를 정화할 수 있는 것으로 나타났습니다. 특히 동결건조 방식으로 유기게르마늄 나노선을 합성하여 경제적 양산에도 유리합니다.
실제 이렇게 양극에 유기게르마늄 나노선이 적용된 전지는 충‧방전의 과전압을 줄여 전지의 사이클 안정성을 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다. 활성산소로 인해 생겨나는 부산물인 탄산리튬을 크게 감소시킨데 따른 겁니다.
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