친환경 포피린계 전해액 촉매를 활용한 리튬공기전지용 고효율 전해액 촉매기술개발 모식도(숙명여대 류원희 교수 제공)© 뉴스1

국내 연구진이 자연 추출 소재인 포피린계 금속 프탈로시아닌을 이용한 리튬공기전지 기술을 개발했다.

이는 차세대 전지기술의 새로운 연구방향을 제시한 것으로 평가된다.

22일 한국연구재단에 따르면 숙명여대 류원희 교수, 성균관대 김종순 교수 공동연구팀이 능동형 산소결합이 가능한 포피린 기반의 리튬공기전지용 촉매 시스템 개발에 성공했다.
  
포피린계 금속 프탈로시아닌(Metal phthalocyanine)은 탄소와 질소로 이루어진 사각형의 거대고리 중심부에 금속원자가 위치하고 있는 화합물을 말하며, 산소와 능동적으로 결합하는 것으로 잘 알려져 있다.
  
현재 상용화된 전기자동차는 한번 충전으로 주행거리가 약 200~300 km 내외에 불과하다.

반면, 리튬공기전지는 리튬이온이차전지에 비해 2~3배의 높은 에너지밀도를 가지며, 500 km 이상의 장거리 운행이 가능할 것으로 기대된다.

하지만, 리튬공기전지는 구동 시 부도체성 생성물로 인해 저항이 크게 발생하며 이로 인해 전지수명이 크게 저하되는 단점이 있다.

이에 따라 리튬공기전지의 성능을 향상시키기 위해서는 고효율 촉매의 도입이 필요하며 상용 전기자동차의 대중화를 위해 촉매의 친환경 저가격화가 필수적이다.

이에 연구팀은 엽록소, 헤모글로빈 등 자연에서 쉽게 볼 수 있는 포피린의 능동적인 산소 결합 특성에 착안했다.

포피린계 물질로 잘 알려진 금속 프탈로시아닌을 리튬공기전지의 전해액 촉매로 도입해 효율을 크게 향상시키는데 성공했다.

각 프탈로시아닌의 중심에 위치한 금속의 종류를 다양하게 변화시킴으로써 전기화학적인 레독스 반응(원자의 산화수가 달라지는 화학반응)의 차이를 확인, 최적의 성능을 갖는 중심 금속의 종류를 밝혀낸 것이다.
  
연구팀은 성능이 가장 뛰어난 망간 프탈로시아닌과 아연 프탈로시아닌 물질을 혼합시킴으로써 산소환원반응 및 산소발생반응에 모두 효과적인 전해액 촉매를 개발했다.

해당 혼합 촉매는 산소의 분율이 20% 이하인 실제 대기 분위기 조건에서도 높은 용량과 안정적인 수명 특성을 나타냈다.

류원희 교수는 “리튬공기전지는 초고에너지 이차전지로써 차세대 한계돌파형 전지기술로 주목받고 있다”라며 “이번 연구 성과를 통해 리튬공기전지 성능을 크게 향상시킬 수 있는 핵심원천기술을 확보했다”고 설명했다.

한편, 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 에 17일 표지논문으로 게재됐다.


km5030@news1.kr