[인더스트리뉴스 김관모 기자] UNIST(총장 이용훈)가 공기 중 이산화탄소를 흡수해 전기를 저장하는 ‘리튬-이산화탄소 전지’의 수명과 성능을 개선하는 기술 개발에 성공했다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 강석주·곽상규·안광진 교수 공동연구팀은 리튬-이산화탄소 전지(Lithium-carbon dioxide Battery)의 전해질을 기존과 달리해 성능을 크게 높였다고 1월 28일 밝혔다. 이 연구팀은 전지의 전해질로 용융염(molten salt)을, 촉매로는 루테늄(Ru)을 도입해 이산화탄소를 효과적으로 잡아낼 수 있도록 했다고 설명했다.

리튬-이산화탄소 전지는 리튬(Li)을 음극재로, 이산화탄소(CO₂)를 양극재로 사용하는 이차전지로, 리튬 이온이 전해질을 통해 음극재와 양극재 사이를 오가면서 전지의 충전과 방전이 일어난다. 특히 전지에 전류가 흐르면서 전기를 사용하는 방전 때, 이산화탄소를 사용하는 반응이 일어나기 때문에 공기 중에 있는 이산화탄소를 포집하는 원리로 활용된다.

그러나 전지의 작동과정에서 탄산리튬(Li₂CO₃)이 생기고, 부반응으로 인해 과전압이 높아지기 때문에 전지의 수명과 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 연구팀은 "과전압은 전극에 가해지는 이론값 이상의 전압에 의해 발생하며, 전극에 과부하를 주어 전지의 수명을 줄인다"며 "과전압은 전지가 작동하는 전류밀도를 제한해 이산화탄소를 잡아들이는 효율을 떨어뜨린다. 이산화탄소를 포집하는 반응은 방전 시에 일어나기 때문에 이산화탄소를 잡는 효율을 높이려면 높은 전류밀도에서 전지가 작동해야 한다"고 설명했다.

이를 해결하기 위해 공동연구팀은 기존 전해질 대신 질산염으로 구성된 고체를 전해질로 사용하고, 양극 표면에 루테늄 나노 입자를 촉매로 붙였다. 고체질산염은 100°C 이상 고온에서 녹아 전해질로 작용하며 충·방전 시 반응에서 부반응 줄여, 과전압을 낮출 수 있다는 것이다. 또한, 루테늄 촉매도 추가로 과전압을 낮추고, 전류밀도가 높은 상태에서도 전지가 작동하도록 돕는다.

연구진은 "이런 실험 결과 단위 부피당 출력을 나타내는 ‘전력밀도(power density)’도 기존 전해질에 비해 13배나 향상됐다"고 밝혔다. 곽상규 교수는 “배터리가 전기를 쓰는 방전 시에는 루테늄 촉매가 불안정한 이산화탄소 음이온의 전자를 공유함으로써 반응에 필요한 에너지 장벽인 과전압이 낮아지고 전류밀도와 전력밀도가 향상됐다”고 말했다.

강석주 교수는 “이번 연구를 통해 고전류밀도에서 구동 가능한 리튬-이산화탄소 전지가 최초로 개발됐다”며 “전지의 전력밀도가 대폭 증가해, 고성능 차세대 충전지 시스템과 이산화탄소 포집 장치로서 리튬-이산화탄소 전지를 상용화하는 일에도 한 걸음 더 다가섰다”고 기대했다.

한편, 이번 연구는 세계적인 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 1월 23일자에 공개됐다. 이번 연구는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원의 '에너지인력양성사업', 과학기술정보통신부와한국연구재단의' C1 가스리파이너리 사업'의 지원으로 진행됐다.

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