자연 소재 촉매, 500㎞ 주행하는 전기차 배터리 만든다

숙명여대-성균관대 연구팀, 포피린계 금속 프탈로시아닌 촉매로 리튬공기전지 성능 저하 문제 개선

자연 추출 소재로 리튬공기전지의 성능을 개선하는 촉매를 만드는 기술이 나왔다. 

한국연구재단(이사장 이광복)은 류원희 숙명여자대학교 교수와 김종순 성균관대학교 교수 공동연구팀이 능동형 산소결합이 가능한 포피린 기반 리튬공기전지용 촉매 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다. 

리튬공기전지는 대기 중 산소를 양극재로, 리튬을 음극재로 사용하는 배터리다. 기존 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 2-3배 높고 무게를 줄일 수 있다. 하지만 구동 과정에서 나오는 부도체성 생성물 때문에 저항이 커져 전지 수명이 짧다는 문제가 있다. 

연구진은 리튬공기전지의 수명 문제를 해결하기 위해 포피린계 금속 프탈로시아닌을 전해액 촉매로 활용했다. 탄소와 질소로 이루어진 사각형의 거대고리 구조인 포피린 중심부에 금속원자가 위치한 화합물이다. 포피린은 산소와 능동적으로 결합하는 성질이 있으며, 엽록소와 헤모글로빈 등 자연에서 쉽게 볼 수 있다. 

친환경 포피린계 전해액 촉매를 활용한 리튬공기전지용 고효율 전해액 촉매기술개발 모식도 (자료=숙명여대 류원희 교수)

각 프탈로시아닌 중심에 들어가는 금속의 종류를 다양하게 바꿔가며 실험을 거듭, 망간 프탈로시아닌과 아연 프탈로시아닌 물질을 혼합할 때 최적 성능이 나옴을 밝혔다. 

이렇게 만든 전해액 촉매는 공기전지의 에너지 생산에 필요한 산소환원반응과 산소발생반응에 모두 효과적이었다. 실제 대기와 비슷하게 산소 농도가 20% 이하인 조건에서도 높은 용량과 안정적 수명 특성을 나타냈다고 연구진은 밝혔다. 

류원희 교수는 "리튬공기전지는 코발트나 니켈 금속 채광 및 자원확보 이슈 없이 대기 중 산소를 양극소재로 사용하는 친환경 미래탄소중립 기술"이라며 "이번 연구 성과를 통해 리튬공기전지 성능을 크게 향상시킬 수 있는 핵심 원천기술을 확보했다"고 설명했다. 

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(우수신진연구, 선도연구센터) 및 원천기술개발사업 국가핵심소재연구단(특화형) 등의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 표지논문으로 게재됐다.