울산과기원 연구팀 최근 네이처 커뮤니케이션즈에 공개

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 향상된 리튬-이산화탄소 전지 기술 확보에 성공했다.

강석주·곽상규·안광진 UNIST 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. 공기 중 이산화탄소를 흡수해 전기를 저장하는 역할을 한다.

이 전지는 리튬 이온이 전해질을 통해 음극재와 양극재 사이를 오가면서 전지의 충전과 방전을 일으킨다. 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 이 같은 문제를 해결하고자 기존 전해질 대신 질산염으로 구성된 고체를 전해질로 사용하고, 양극 표면에 루테늄 나노 입자를 촉매로 붙였다고 전했다.

고체 질산염은 100℃ 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 높은 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 말했다.

이번 연구는 자연과학 분야 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 23일 자로 공개됐다.