[123RF]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 약 500km 거리의 서울~부산을 한 번 충전으로 주행가능한 전기차 등장이 머잖았다.

국내 연구진이 차세대 이차전지로 각광받는 리튬공기전지 성능을 크게 높일 수 있는 원천기술을 개발했기 때문이다.

한국연구재단은 숙명여자대학교 화공생명공학부 류원희 교수 연구팀이 능동형 산소결합이 가능한 포피린 기반의 리튬공기전지용 촉매 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다.

지구온난화와 같은 환경문제를 해결하기 위한 온실가스 배출에 대한 규제가 가속화되며 기존의 가솔린 자동차를 전기자동차로 대체하고 있다. 리튬이온이차전지 기반의 상용 전기자동차의 경우, 주행거리가 약 200~300km 내외로 한번 충전으로는 서울에서 부산까지 가기 어렵다.

현재 전기자동차의 짧은 주행거리는 잦은 충전을 필요로 하며, 긴 충전시간과 배터리방전에 대한 불안감으로 인해 전기자동차 대중화에 있어 여러 가지 제약이 따르고 있다.

리튬공기전지는 현재 각종 전자 기기와 전기차에 쓰이는 리튬이온전지보다 10배 이상 더 많은 에너지를 저장 할 수 있다. 또 공기 중 산소를 전극재로 쓰기 때문에 금속 소재를 사용하는 리튬이온전지보다 경량화도 훨씬 유리하다. 특히 500km 이상 장거리 운행이 가능할 것으로 기대된다. 다만 전지 작동과정에서 발생하는 활성산소 때문에 전지 수명이 떨어지는 고질적인 문제점을 안고 있었다.

리튬공기전지의 성능을 향상시키기 위해서는 고효율 촉매의 도입이 필요하며 상용 전기자동차의 대중화를 위해 촉매의 친환경 저가격화가 필수적이다.

능동형 산소결합이 가능한 포피린 기반의 리튬공기전지용 촉매 시스템 모식도.[숙명여대 제공]

연구팀은 엽록소, 헤모글로빈 등 자연에서 쉽게 볼 수 있는 포피린의 능동적인 산소 결합 특성에 기반, 포피린계 물질로 잘 알려진 금속 프탈로시아닌을 리튬공기전지의 전해액 촉매로 도입하여 효율을 크게 향상시키는데 성공했다.

각 프탈로시아닌의 중심에 위치한 금속의 종류를 다양하게 변화시킴으로써 전기화학적인 레독스 반응의 차이를 확인, 최적의 성능을 갖는 중심 금속의 종류를 밝혀냈다.

성능이 가장 뛰어난 망간 프탈로시아닌과 아연 프탈로시아닌 물질을 혼합시킴으로써 산소환원반응 및 산소발생반응에 모두 효과적인 전해액 촉매를 개발했다.

이 혼합 촉매는 산소의 분율이 20% 이하인 실제 대기 분위기 조건에서도 높은 용량과 안정적인 수명 특성을 나타냈다.

류원희 교수는 “리튬공기전지는 코발트나 니켈 금속채광 및 자원확보 이슈 없이 대기 중 산소를 양극소재로 사용하는 친환경 미래탄소중립 기술”이라며 “이번 연구를 통해 리튬공기전지 성능을 크게 향상시킬 수 있는 핵심원천기술을 확보했다”고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 2월 17일 표지논문으로 게재됐다.