[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국연구재단(NRF)은 고려대학교 건축사회환경공학부 김동완 교수팀이 고체형 활성산소 정화제를 합성하고 이를 적용한 고효율, 장수명 리튬-산소 전지를 개발했다고 4일 밝혔다.

최근 전기자동차 배터리 및 고용량 저장 장치 시장에서의 리튬-이온 전지(LIB)는 낮은 에너지밀도를 나타내고 관련 기술이 포화상태에 접어들어 대용량 저장장치로서 한계가 있다.

이에 차세대 이차전지로서 리튬-산소 전지에 대한 관심과 리튬-산소 전지 양극 소재 개발과 국산화 시도가 꾸준하게 증가하고 있고 최근 전지의 효율을 증대시키기 위한 연구는 양극제 촉매와 더불어 전해질에 용해를 시키는 용해성 촉매 또는 산화/환원 매개체에 초점을 두고 있다. 

그러나 기존 용해성 촉매 또는 산화/환원 매개체는 유기계 전해질에 용해된 상태로 적용되기 때문에 양극과 음극을 통과하며 교차반응과 그 외의 부반응을 일으킬 수 있다.

또 방전 과정 중에 활성산소 종의 효율적인 소모에만 집중되어 있어 과도한 활성산소 종이 발생할 시에 전지의 열화를 막아주지 못한다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 양극(탄소계 전극) 표면에 활성산소를 정화할 수 있는 불용성의 유기게르마늄을 나노선 모양으로 합성했다. 

연구과정을 보면 전지 충방전시 전해질로 확산되는 활성산소를 포획해 반응성 낮은 안정된 물질로 빠르게 전환함으로써 활성산소가 일으킬 수 있는 각종 부산물 생성반응을 방지하도록 했다.

이는 물리적으로는 물론 화학적으로 활성산소에 의한 전지의 성능저하를 막으려는 시도로 그 결과 기존 용해성 항산화물질과 달리 전압범위에 구애받지 않고 활성산소를 정화할 수 있는 것으로 나타났다.

특히 동결건조 방식으로 유기게르마늄 나노선을 합성해 경제적 양산에도 유리하다.

이 연구결과에 의하면 양극에 유기게르마늄 나노선이 적용된 전지는 충‧방전의 과전압을 줄여 전지의 사이클 안정성을 크게 향상시키는 것으로 나타났고 이는 활성산소로 인해 생겨나는 부산물인 탄산리튬을 크게 감소시킨데 따른 것이다.

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 신진연구사업, 중견연구사업 및 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐고 재료분야 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano)에 11월 24일 게재됐다.