전지‘노화’일으키는 활성산소, 게르마늄으로 잡는다

- 항산화작용 모방한 유기게르마늄 나노선으로 리튬-산소전지 수명 연장 실마리

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.
  한국연구재단(이사장 노정혜)은 김동완 고려대학교 교수 연구팀이 고체형 활성산소 정화제¹⁾를 합성하고 이를 적용한 고효율, 장수명 리튬-산소 전지를 개발했다고 지난달 3일 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.
  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 충‧방전의 과전압을 줄여 전지의 사이클 안정성을 크게 향상시키는 것으로 나타났다. 활성산소로 인해 생겨나는 부산물인 탄산리튬을 크게 감소시킨데 따른 것이다.
  과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 신진연구사업, 중견연구사업 및 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 ´에이씨에스 나노(ACS Nano)´에 11월 24일 게재됐다.

[그림 1] 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.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2021년 1월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>