변혜령·정유성 KAIST 교수 "80% 내외 전지 효율 성능 구현 성공"

리튬-산소전지에서 방전(DC)·충전(RC)에 따라 형성·분해되는 일차원 나노구조체 비결정질인 리튬과산화물의 도식과 투과전자현미경 사진. 투과전자현미경 사진의 노란색 점선은 메조 다공성 탄소 전극인 CMK-3의 표면 경계를 나타낸다.<사진=KAIST 제공>
리튬-산소전지에서 방전(DC)·충전(RC)에 따라 형성·분해되는 일차원 나노구조체 비결정질인 리튬과산화물의 도식과 투과전자현미경 사진. 투과전자현미경 사진의 노란색 점선은 메조 다공성 탄소 전극인 CMK-3의 표면 경계를 나타낸다.<사진=KAIST 제공>
국내 연구팀이 빠른 충전이 가능한 리튬-산소전지를 개발했다.

KAIST(총장 신성철)는 변혜령 화학과 교수 연구팀과 정유성 EEWS대학원 교수 연구팀이 높은 충전 속도에서도 약 80% 전지 효율 성능을 갖는 리튬-산소전지를 개발했다고 29일 밝혔다.

기존에 개발된 리튬-산소전지는 충전 속도가 높아지면 전지 효율 성능이 급속히 저하되는 단점이 있었다. 이번 연구에서는 방전 생성물인 리튬과산화물의 형상·구조를 조절해 난제였던 충전 과전위를 낮추고 전지 효율 성능을 향상시킬 수 있음을 증명했다.

리튬-산소전지는 리튬-이온전지보다 3~5배 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 장시간 사용이 요구되는 전기차·드론 등의 사용에 적합한 차세대 전지로 주목받고 있다.

하지만 방전 시 생성되는 리튬과산화물이 충전 시 쉽게 분해되지 않기 때문에 과전위가 상승하고 전지의 사이클 성능이 낮은 문제점을 갖고 있다. 리튬과산화물의 낮은 이온 전도성과 전기 전도성이 전기화학적 분해를 느리게 만드는 것이다.

리튬과산화물의 전도성을 향상시키고 리튬-산소전지의 성능을 높이기 위해 연구팀은 메조 다공성 탄소물질인 CMK-3를 전극으로 사용해 일차원 나노구조체를 갖는 비결정질 리튬과산화물을 생성하는 데 성공했다.

전극을 따라 생성되는 비표면적이 큰 비결정질의 리튬과산화물은 충전 시 빠르게 분해돼 과전위의 상승을 막고 충전 속도를 향상시킬 수 있다. 이는 기존의 결정성을 갖는 벌크(bulk) 리튬과산화물과 달리 높은 전도성을 갖기 때문이다.

이번 연구 결과는 촉매나 첨가제의 사용 없이도 리튬과산화물의 크기·구조를 제어해 리튬-산소전지의 근본적 문제를 해결할 방법을 제시했다는 의의를 갖는다.

변혜령 교수는 "리튬과산화물의 형상, 구조·크기를 제어해 전기화학 특성을 변화시킬 수 있음을 증명했다"라며 "리튬-산소전지뿐만 아니라 다른 차세대 전지의 공통된 난제를 해결할 수 있는 실마리를 찾았다"고 설명했다.

이론 해석을 제공한 정유성 교수는 "이번 연구 결과로 기존에 절연체로 여겨진 리튬과산화물이 빠르게 분해될 수 있는 반응 원리를 이해할 수 있었다"고 말했다.
 
한편, 이번 연구결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난달 14일자 온라인판에 게재됐다.

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