이산화탄소 잡는 고수명·고효율 배터리 개발

울산과기원, 리튬-이산화탄소 전지 성능 높여

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 공기 중 이산화탄소를 흡수해 전기를 저장하는 ‘리튬-이산화탄소 전지’의 수명과 성능을 개선했다.

강석주·곽상규·안광진 에너지 및 화학공학부 교수 공동연구팀은 리튬-이산화탄소 전지 전해질을 기존과 달리해 수명과 성능을 크게 향상했다고 28일 밝혔다.

리튬-이산화탄소 전지는 리튬(Li)을 음극재로, 이산화탄소(CO₂)를 양극재로 사용하는 이차전지다.

이 전지는 리튬 이온이 전해질을 통해 음극재와 양극재 사이를 오가면서 전지의 충전과 방전이 일어난다. 특히 전지에 전류가 흐르면서 전기를 사용할 때 이산화탄소를 사용하는 반응이 일어나기 때문에 지구 온난화 주범인 이산화탄소를 포집하는 장점이 있다.

그러나 전지 작동과정에서 탄산리튬(Li₂CO₃)이 생기고, 부반응으로 인해 과전압이 높아지기 때문에 전지 수명과 성능이 떨어지는 문제가 있다. 과전압은 전지가 작동하는 전류밀도를 제한해 이산화탄소를 잡아들이는 효율을 떨어뜨리기도 한다.

연구팀은 이런 문제를 해결하고자 기존 전해질 대신 질산염으로 구성된 고체를 전해질로 사용하고, 양극 표면에 루테늄 나노 입자를 촉매로 붙였다.

고체 질산염은 100도 이상 고온에서 녹아 전해질로 작용하며, 충·방전 때 부반응을 줄여 과전압을 낮출 수 있다. 루테늄 촉매 또한 추가로 과전압을 낮추고, 전류밀도가 높은 상태에서도 전지가 작동하도록 도왔다.

그 결과 단위 부피당 출력을 나타내는 전력 밀도가 기존 전해질보다 13배나 향상됐다.

강석주 교수는 “이번 연구를 통해 고(高) 전류밀도에서 구동 가능한 리튬-이산화탄소 전지가 최초로 개발됐다”며 “전지의 전력 밀도가 대폭 증가해 고성능 차세대 충전지 시스템과 이산화탄소 포집 장치로서 리튬-이산화탄소 전지를 상용화하는 일에도 한 걸음 더 다가섰다”고 밝혔다.

이번 연구는 자연과학 분야 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 23일 자로 공개됐다.

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