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[사이언스] 전지 ‘노화’ 일으키는 활성산소, 게르마늄으로 해결... 고효율, 장수명 리튬-산소 전지를 개발

항산화작용 모방한 유기게르마늄 나노선으로 리튬-산소전지 수명 연장 실마리

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특허뉴스 염현철 기자
기사입력 2020/12/04 [14:38]

리튬-산소 전지용 고체형 활성산소 정화제의 작용 모식도 / 항산화 작용을 모방한 유기게르마늄 나노선이 포함된 활성산소 정화막이 전기화학적 반응 중 발생하는 활성산소 종을 흡착하여 양극 표면을 활성화한 결과 리튬-산소 전지 특성 평가에서 약 0.06 V의 낮은 과전압을 나타낸다. 그림 및 그림설명 제공 : 고려대학교 건축사회환경공학부 김동완 교수  © 특허뉴스

 

최근 전기자동차 배터리 및 고용량 ESS 저장 장치 시장에서의 리튬-이온 전지(LIB)~350 Wh/kg의 낮은 에너지밀도를 나타내고 관련 기술이 포화상태에 접어들어 대용량 저장장치로서 한계가 있다. 이에 차세대 이차전지로서 리튬-산소 전지에 대한 관심과 리튬-산소 전지 양극 소재 개발 및 국산화 시도가 꾸준하게 증가하고 있다.

 

대부분의 연구는 기존의 전극 소재 및 전해질 개선을 통한 리튬-산소 전지의 고성능화에 집중되어 있어 전해질 또는 전극의 활성산소 종에 의한 산화스트레스가 유발하는 부반응을 억제하려는 연구는 미비하다.

 

최근 전지의 효율을 증대시키기 위한 연구는 양극제 촉매와 더불어 전해질에 용해를 시키는 용해성 촉매 또는 산화/환원 매개체에 초점이 맞춰져있다. 기존 용해성 촉매 또는 산화/환원 매개체는 유기계 전해질에 용해된 상태로 적용되기 때문에 양극과 음극을 통과하며 교차반응과 그 외의 부반응을 일으킬 수 있다. 또한 방전 과정 중에 활성산소 종의 효율적인 소모에만 집중되어 있어 과도한 활성산소 종이 발생할 시에 전지의 열화를 막아주지 못한다.

 

따라서 고효율과 장수명 특성을 모두 달성하기 위해 전해질에 녹지 않으며 부반응을 경감 시킬 수 있는 활성산소 정화제 연구가 필요하다.

 

이러한 시기, 차세대 대용량 에너지 저장장치로 주목받는 리튬-산소 전지의 효율저하 원인인 활성산소를 제거하는 기술이 소개됐다.

 

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 문제였다.

 

한국연구재단은 고려대학교 김동완 교수 연구팀이 반응성이 큰 활성산소를 포획 및 정화하여 전극 또는 전해질의 분해를 억제할 수 있는 물질인 고체형 활성산소 정화제를 합성하고 이를 적용한 고효율, 장수명 리튬-산소 전지를 개발했다고 밝혔다.

항산화물질인 유기게르마늄을 이용해 전지성능을 떨어뜨리는 활성산소를 포획하여 정화한 것이다.

 

기존에도 항산화물질로 활성산소를 양극에서 빠르게 포획하려는 시도는 있었으나, 과도한 활성산소 발생시에는 부산물 생성반응을 방지할 수 없었다. 또 용해성 물질로 음극까지 도달해 부식을 일으키는 단점이 있었다.

 

이에 연구팀은 양극(탄소계 전극) 표면에 활성산소를 정화할 수 있는 불용성의 유기게르마늄을 나노선 모양으로 합성했다. 활성산소와 접촉면적을 넓혀 정화활성을 끌어올리고자 하였다.

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

 

▲ 고체형 활성산소 정화제의 반응기작 및 용량과 연관된 방전생성물의 형성 메커니즘 / 부반응 억제 및 활성산소 정화제로 사용된 유기게르마늄은 쉽게 가수분해 되어 활성산소 종 제거를 위한 활성 자리를 제공한다. Li2O2 방전 생성물 형성 모델 중 용매 매개 형성 모델에서 불균등화 반응을 통해 발생된 다량의 용매화된 활성산소 종을 유기게르마늄이 포획하여 정화한다. 따라서 용매 매개 형성 모델의 결과인 도넛형 Li2O2보다 양극 표면에서 형성된 필름형 Li2O2가 주된 방전생성물로 나타난다. 그림 및 그림설명 제공 : 고려대학교 건축사회환경공학부 김동완 교수  © 특허뉴스

 

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 합성하여 경제적 양산에도 유리 하다.

 

실제 이렇게 양극에 유기게르마늄 나노선이 적용된 전지는 충방전의 과전압을 줄여 전지의 사이클 안정성을 크게 향상시키는 것으로 나타났다. 활성산소로 인해 생겨나는 부산물인 탄산리튬을 크게 감소시킨데 따른 것이다.

 

이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano)’1124일 게재되었다.

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