[과학을 읽다]전기자동차 혁명 시작됐다

카이스트 연구팀, 현재 리튬·이온전지 보다 용량 10배 이상인 전지 촉매 개발

▲나노튜브 촉매가 사용된 리튬·공기전지의 구성.[사진제공=카이스트]

[아시아경제 정종오 기자] 현재의 리튬·이온전지 보다 약 10배 이상 용량이 높은 전기 자동차 전지가 나올 것으로 기대됩니다. 이른바 '리튬·공기전지'입니다. 카이스트(KAIST, 총장 강성모) 신소재공학과 김일두 연구팀이 리튬·공기전지의 핵심 구성요소인 촉매를 대량생산할 수 있는 기술을 개발했습니다.

리튬·공기전지는 전기자동차에 쓰이는 리튬·이온전지를 대체할 차세대 전지로 주목받고 있습니다. 이번에 개발한 원천기술을 통해 리튬·공기전지의 상용화에 한 발짝 다가설 것으로 예상됩니다. 연구팀은 촉매활성이 뛰어난 두 소재인 루테늄산화물(RuO2)과 망간산화물(Mn2O3)이 균일하게 분포된 이중 나노튜브 구조를 손쉽게 대량 제조하는 원천기술을 확보했습니다. 이를 리튬·공기전지에 적용하는데 성공했습니다.

리튬·공기전지는 리튬·이온전지에 비해 용량이 10배 이상 높습니다. 대기 중의 산소를 연료로 활용하기 때문에 전기자동차를 위한 에너지 저장장치로 큰 주목을 받고 있는 전지입니다. 문제는 방전 시 생성되는 고체 리튬산화물(Li2O2)이 충전 과정에서 원활히 분해되지 않아 전지의 효율과 수명특성이 떨어진다는 데 있었습니다. 이 때문에 상용화에 어려움을 겪었습니다. 탄소재 양극 내의 리튬산화물의 형성과 분해를 안정적으로 도와주는 촉매 개발이 필수적으로 요구됐습니다.

리튬·공기전지용 촉매는 가벼우면서 내구성이 우수하고 촉매의 표면적을 최대한 넓히는 것이 중요합니다. 연구팀은 이 같은 문제 해결을 위해 루테늄과 망간 전구체가 녹아 있는 고분자 용액을 전기 방사했습니다. 이는 누에가 실을 뽑듯이 고분자 용액을 재료로 삼은 실을 뽑아내 루테늄-망간 전구체를 기반으로 한 고분자 복합 섬유를 합성해내는 기술입니다.

이후 이 섬유를 고온 열처리하면 거푸집 역할을 하는 고분자 템플릿(Template)이 타서 없어지고 루테늄산화물과 망간산화물의 이종 물질이 함께 복합체를 이루는 이중튜브 구조의 촉매가 완성됩니다. 연구팀이 개발한 이중 튜브는 직경 220 나노미터의 외부튜브와 80 나노미터의 내부튜브로 이뤄져 안쪽과 바깥쪽 벽이 동시에 촉매 반응에 참여 가능합니다. 비어있는 공간이 많아 가볍다는 장점도 있습니다.

연구팀은 초기 충전, 방전 시의 과전압 차이가 약 0.8V 이내로 감소하는 효과를 얻었습니다. 기존 탄소재를 사용했을 때 과전압은 약 2.0V 이상이었습니다. 용량제한 1000 mAh/g 하에서 100사이클 이상의 안정적 리튬·공기전지 특성을 확인했습니다.

김일두 교수는 "생산 공정이 매우 쉽고 대량생산이 가능한 기술"이라며 "촉매의 성능이 우수해 차세대 전지로 각광받는 리튬·공기전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것"이라고 말했습니다. 신소재공학과 김상욱 교수와 공동 연구로 진행된 이번 연구는 윤기로 박사과정이 제1저자로 참여했습니다. 나노재료 분야 국제 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)' 3일자 온라인 판(논문명: One-Dimensional RuO2/Mn2O3 Hollow Architectures as Efficient Bifunctional Catalysts for Lithium-Oxygen Batteries)에 실렸습니다.

한편 이번 연구는 현대자동차의 지원을 받아 진행됐습니다.