왼쪽부터 김일두, 전석우, 박용준 교수

아주경제 이한선 기자= 전기차에 적용하면 최대 800km를 주행할 수 있는 이차전지 핵심기술이 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 김일두(39)·전석우(38) 교수와 박용준 경기대학교 신소재공학과 교수 공동연구팀이 나노섬유.그래핀 복합촉매를 개발하고 리튬공기 이차전지에 적용해 리튬이온 이차전지 보다 용량이 5배 높은 리튬공기 이차전지를 만드는 데 성공했다고 5일 밝혔다.

연구 결과는 나노 분야 권위 있는 학술지 나노레터스 8일자 온라인판에 게재됐다.

리튬이온 이차전지의 음극과 양극에는 각각 흑연, 리튬전이금속산화물로 구성돼 있다.

핸드폰, 노트북 등에 널리 사용되고 있는 이 전지는 전기차에 적용할 경우 한 번 충전에 약 160km 정도만 주행할 수 있어 전기차용으로는 용량이 충분하지 않다는 평가다.

연구팀이 이번에 개발한 리튬공기 이차전지는 음극은 리튬, 양극은 산소를 사용한다.

무게가 가벼우면서도 실제 얻을 수 있는 에너지밀도가 리튬이온 이차전지보다 훨씬 높아 차세대 이차전지 중 가장 각광을 받고 있지만 방전 시 리튬과 산소가 서로 만나 리튬산화물(Li2O2)이 형성되고 충전 시 다시 분해되는 과정이 원활하게 일어나지 않으면서 높은 저항이 발생해 짧은 수명으로 상용화에 어려움이 있었다.

때문에 리튬산화물의 형성 및 분해반응을 수월하게 해주는 고효율 촉매 개발이 필수적이었다.

연구팀은 전기방사 방법으로 대량생산이 가능한 코발트산화물 나노섬유와 그래핀을 섞어 나노 복합촉매를 개발했다.

연구팀은 촉매활성이 매우 높은 코발트산화물 나노섬유에 큰 비표면적과 높은 전기전도도를 가지고 있는 비산화그래핀을 결착시켜 리튬공기 이차전지의 성능을 극대화시킬 수 있었다.

개발된 나노 복합촉매를 리튬공기 이차전지의 양극에 적용하면 리튬이온 이차전지 용량의 5배에 달하는 1000mAh/g 이상의 고용량에서도 80회 이상의 충.방전이 가능한 우수한 수명특성을 보였다.

연구팀이 이번에 확보한 충.방전 특성은 현재까지 보고된 성능 중 가장 높은 수준으로 금속 산화물과 그래핀을 소재로 활용으로 저렴하게 만들 수 있는 것도 특징이다.

상용화에 성공해 전기차에 적용하면 한 번 충전에 800Km이상 주행할 수 있어 서울-부산을 왕복 가능해질 것으로 기대된다.

김일두 교수는 “안정성 등 상용화까지는 해결할 과제들이 많이 있지만 본격적인 전기차 시대를 위해 여러 기관들과 협력해 연구할 것”이라며 “우리나라에서 리튬공기 이차전지 분야의 핵심 소재 중에 하나인 나노촉매 합성 기술 개발을 주도해 차세대 리튬공기 이차전지 분야의 활성화에 기여하고 싶다”고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 류원희 박사, 송성호 박사과정 학생, 경기대학교 윤택한 석사과정 학생이 참여했다.