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리튬이온전지를 대체할 차세대 2차전지 후보 중 하나로 꼽히는 리튬공기전지의 수명 문제를 개선한 전지기술이 개발됐음. 용량이 커 한 번 충전으로 1000km 이상을 주행할 수 있을 것으로 기대되는 리튬공기전지의 상용화 가능성을 높였음.

서동화 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수와 삼성전자 종합기술원 공동연구팀은 리튬공기 전지 내부 유기물질을 세라믹 소재로 바꿔 전지 수명이 줄어드는 문제를 해결했다고 이달 15일 밝혔음.

리튬공기전지는 공기 중 산소를 전극재로 쓰는 전지임. 이론적으로 상용화된 리튬이온전지보다 10배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있음. 전극재로 금속을 쓰는 리튬이온전지보다 가볍게 만들 수 있어 전기차 배터리로 활용하는데도 유리함. 하지만 전지를 쓰는 과정에서 활성산소가 생기고 활성산소가 전지 내부 유기물질을 계속 분해시켜 전지 수명을 줄이는 문제점을 안고 있었음.

연구팀은 전지 내부 유기물질을 대체할 고성능 세라믹 소재를 발견했음. 분자의 성질을 예측하는 양자역학 모델링 기법인 밀도범함수 이론을 통해 망간이나 코발트를 품은 페로브스카이트 구조 세라믹 소재가 리튬이온과 전자를 빠르게 전달할 수 있다는 것을 찾아냈음. 세라믹 소재는 이온만 잘 전달하는 경우가 많은데 전자 또한 빠르게 전달하는 것임.

유기물질을 세라믹 소재로 대체하면서 활성산소 문제에서도 자유로워졌음. 연구팀은 이를 통해 기존에 10회 미만이었던 충전 및 방전 수명을 100회 이상으로 개선했다고 설명했음.

삼성은 리튬공기전지를 차세대 전기차 배터리 후보로 꼽고 개발중임. 목표를 1000km 주행에 놓고 다양한 연구를 수행하고 있음. 이론상 리튬이온전지의 10배를 충전할 수 있지만 상용화 목표로 현재 주행거리가 약 400km 정도인 리튬이온전지의 2배 이상인 1000km를 잡았음. 서 교수는 "이론은 10배지만 작동까지 필요한 여러 문제를 고려하면 2배를 내기도 쉽지는 않다" 며 "이번 연구로 양극 쪽 문제를 해결한 것으로 아직 개발해야 할 것들이 남아 있다"고 말했음.

연구 1저자인 마상복 삼성전자 종합기술원 전문연구원은 “차세대 전지로 주목받는 리튬공기전지의 상용화를 앞당길 수 있는 원천 소재 기술을 개발했다는 데 큰 의미가 있다"고 말했음. 서 교수는 “새로운 세라믹 소재는 전자와 리튬이온을 동시에 전달할 수 있다”며 “리튬공기전지뿐 아니라 전지 분야에도 쓰일 수 있을 것”이라고 말했음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Energy Materials’ 지의 표지논문으로 게재되었으며, 삼성전자와 UNIST 기관 고유 사업, 한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨터의 지원으로 수행됨.