이나원석사과정 (숙명여자대학교 화공생명공학부), 이준서학부생(연세대학교 신소재공학부)
류원희교수(숙명여자대학교 화공생명공학부)
차세대 리튬공기전지용
전기방사 기반 나노소재 기술 동향
‥
1. 서 론
최근‥지구‥온난화와‥대기오염문제가‥심각해지 고,‥ 이상기후와‥ 같은‥ 환경문제들이‥ 현실화됨에‥
따라,‥ 파리협약을‥ 비롯하여‥ 이산화탄소‥ 배출량 을‥ 규제하려는‥ 노력이‥ 전세계적으로‥ 가속화되 고‥ 있다.‥ 이에‥ 주된‥ 에너지원인‥ 화석연료를‥ 대 신하여‥태양광,‥풍력,‥조력‥등‥친환경‥에너지원 으로‥대체하려는‥노력이‥이루어지고‥있다.‥그러 나‥태양광발전의‥경우‥낮에만‥생산이‥가능하고,‥
풍력이나‥조력‥같은‥에너지원은‥에너지‥생산‥측 면에‥ 있어서‥ 지리적‥ 환경의‥ 영향을‥ 크게‥ 받는 다.‥또한‥신‥재생‥에너지는‥생산된‥에너지의‥자 유로운‥이동‥및‥저장이‥불가능하여‥발생시킨‥에 너지를‥ 곧바로‥ 소진해야‥ 하는‥ 한계가‥ 있다.‥ 그 러므로‥효율적인‥에너지‥사용을‥위해‥에너지를‥
저장하고,‥ 사용할‥ 수‥ 있는‥ 에너지‥ 저장장치는‥
필수적이다.‥ 현재‥ 리튬이온전지는‥ 상용화된‥ 대 표적‥에너지‥저장장치로‥대부분의‥스마트‥전자 기기의‥휴대용‥동력원으로‥사용되고‥있다.‥그러 나‥ 전기자동차(EV)나‥ 에너지저장시스템(ESS) 과‥ 같은‥ 중·대형‥ 에너지‥ 저장장치‥ 분야로‥ 이차 전지의‥응용범위가‥확장됨에‥따라‥보다‥높은‥에 너지‥밀도를‥지닌‥이차전지의‥관심이‥증대되고‥
있다‥[1].‥특히,‥전기자동차분야의‥경우,‥미국의‥
테슬라(Tesla)를‥필두로‥하여‥국내외‥많은‥자동
차회사가‥개발‥및‥상용화하고‥있는‥가장‥유망한‥
산업으로‥성장하고‥있다.‥그러나‥현재‥리튬이온 전지를‥사용하여‥출시된‥전기자동차의‥경우‥1회‥
충전‥ 시‥ 최대주행거리가‥ 200‥ km‥ 안팎이기‥ 때
그림 1. 가솔린과 유사한 리튬공기전지의 이론적 용량 [2(a)] 및 그에 따른 주행 거리 [3].
문에‥500‥km‥이상의‥장거리‥운행이‥요구되는‥
전기자동차용‥ 이차전지로‥ 쓰이기에는‥ 한계가‥
있다.‥그러므로‥전기자동차의‥상용화‥및‥대중 화를‥위해‥현재‥리튬이온전지‥보다‥이론적‥에 너지‥밀도가‥10배‥이상‥큰‥리튬공기전지‥(이론 적‥에너지‥밀도:‥11,400‥Whkg-1)가‥크게‥주목‥
받고‥있으며‥관련‥연구가‥활발히‥진행‥중이다‥
(그림‥1)[2].
2. 리튬공기전지의 구성요소 및 구동 원리
유기계‥ 전해질을‥ 이용한‥ 리튬공기전지는‥
1996년‥ Abraham‥ 그룹이‥ 처음‥ 사례를‥ 보고 하였으나‥본격적인‥연구개발은‥차세대‥고용량‥
에너지가‥주목‥받기‥시작한‥2010년‥초반이다‥
[2].‥ 리튬공기전지의‥ 구성‥ 요소로는‥ 크게‥ 양 극,‥음극,‥전해질‥그리고‥분리막으로‥이루어지 며‥ 음극으로는‥ 리튬‥ 금속,‥ 공기극(양극)은‥ 다 공성의‥ 탄소가‥ 주로‥ 사용된다‥ (그림‥ 2).‥ 기존 의‥리튬이온전지는‥전기화학적‥반응을‥기반으 로‥ 리튬‥ 이온이‥ 양극에서‥ 음극으로‥ 이동하거 나(충전),‥ 음극에서‥ 양극으로‥ 이동(방전)하며‥
에너지를‥ 저장/사용하는‥ 원리로‥ 구동되며‥ 양 극으로는‥ 주로‥ 무거운‥ 전이금속기반의‥ 물질 (대표적으로‥리튬코발트산화물,‥LiCoO2)이‥쓰 인다.‥그러나‥리튬공기전지의‥경우,‥양극으로‥
기체상인‥ 산소가‥ 이용되고‥ 이‥ 산소가‥ 반응할‥
수‥있도록‥반응‥자리를‥주는‥공기극(대표적으 로‥탄소)이‥사용되어‥훨씬‥큰‥에너지밀도를‥가 질‥수‥있다‥[4].‥리튬‥이온의‥연결통로로서‥전 해질은‥ 주로‥ 비수계의‥ 에테르(Ether)계‥ 용매 에‥ 리튬‥ 염(LiPF6,‥ LiBF4,‥ LiAsF6‥ 등)을‥ 용해 시켜‥사용하며‥리튬이온전지에서‥주로‥쓰이는‥
카보네이트계의‥ 용매는‥ 비가역적인‥ 탄산리튬‥
부산물을‥ 생성하는‥ 문제점이‥ 있어‥ 사용하지‥
않는다‥[5].‥분리막은‥Glassy‥Fiber가‥주로‥사 용되며‥ 공기극‥ 위로‥ 리튬산화물‥ 적층으로‥ 인 해‥양극과‥음극이‥접촉되지‥않도록‥하는‥역할
을‥한다.
리튬이온전지는‥삽입과‥탈리를‥통해‥구동되 는‥ 반면,‥ 리튬공기전지는‥ 표면반응으로서‥ 리 튬‥이온이‥산소와‥반응하여‥공기극‥위에‥리튬‥
산화물이‥ 형성되고,‥ 역반응‥ 시‥ 리튬산화물이‥
다시‥분해되어‥방전‥및‥충전을‥하는‥원리로‥구 동된다‥ (그림‥ 3).‥리튬공기전지의‥ 방전과정에 서‥진행되는‥반응은‥다음과‥같다‥[6].‥
(방전반응) O2‥+‥e-‥→‥O2
-‥‥‥‥ ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(1)
O2-‥+‥Li+‥→‥LiO2‥ ‥‥‥‥‥ ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(2) O2
-‥+‥2Li+‥→‥Li2O2‥(LiO2‥+‥Li+‥→‥Li2O2)‥(3)
‥2LiO2‥→‥Li2O2‥+‥O2‥(Disproportionation‥
reaction)‥ ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(4)
방전‥시‥산소가‥환원되어‥산소‥이온이‥되고‥
리튬‥ 이온과‥ 반응하여‥ 고체‥ 상인‥ 리튬산화물‥
(LiO2와‥ Li2O2)이‥ 생성되며,‥라만‥ 스펙트럼이 나‥X선‥회절‥분석‥등을‥통해‥대부분의‥최종‥생 성물은‥LiO2와‥Li2O2의‥혼합물인‥것으로‥밝혀 졌다‥[7].‥반대로‥충전과정에서는‥생성된‥LiO2 그림 2. 리튬공기전지의 구조.
와‥Li2O2가‥분해되어‥다시‥리튬‥이온,‥산소,‥그 리고‥전자를‥생성한다.
(충전반응) LiO2‥→‥O2
-‥+‥Li+‥ ‥ ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(5)
Li2O2‥→‥O2
-‥+‥2Li+‥(Li2O2‥→‥LiO2‥+‥Li+)‥(6)
(전체‥반응식)
‥2Li+‥+‥O2‥+‥2e-‥↔‥Li2O2,‥(Eo‥=‥2.96‥V‥vs.‥
Li/Li+)‥ ‥ ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(7)
리튬산화물은‥부도체에‥가까운‥낮은‥전기전 도도를‥ 가지고‥ 있어‥ 방전반응을‥ 통해‥ 표면에‥
적층된‥후‥역‥충전반응‥시‥전기화학적‥분해‥반 응을‥크게‥저하시키고‥전지의‥내부‥저항을‥증
가시켜‥ 리튬공기전지의‥ 효율이‥ 저하된다.‥ 그‥
결과‥ 충분히‥ 분해되지‥ 않은‥ 고체상의‥ 리튬산 화물이‥양극‥표면‥위에‥차츰‥쌓임에‥따라‥점차‥
반응에‥ 관여하는‥ 양극의‥ 면적이‥ 감소하며‥ 전 지‥수명이‥크게‥감소하게‥된다‥[8].‥이를‥개선 하기‥위하여‥리튬산화물의‥생성‥및‥분해를‥촉 진하는‥ 촉매를‥ 도입하려는‥ 연구가‥ 많이‥ 진행 되었으며‥금속‥산화물‥촉매나‥수용성‥촉매‥그 리고‥전극과‥촉매의‥구조‥변화를‥통한‥표면적‥
확장‥등의‥다양한‥연구가‥진행되고‥있다.
3. 전기방사를 이용한 리튬공기전지용 공기극 및 촉매소재의 개발
리튬공기전지‥충·방전과정에서‥리튬‥산화물 은‥원활하게‥분해되지‥않으며‥방전이‥지속됨에‥
따라‥공기극‥내의‥기공을‥막아‥전극‥표면을‥열 화‥시킨다‥[9].‥그‥결과,‥충·방전‥반응에‥참여하 는‥반응자리들이‥점차‥줄어들며‥방전용량도‥지 속적으로‥줄어든다.‥충전‥시‥1~2‥V의‥높은‥과 전압으로‥인한‥낮은‥효율이‥야기되며‥충·방전‥
성능이‥ 저하되어‥ 전지의‥ 수명이‥ 줄어들게‥ 된 다.‥이러한‥문제는‥공기극‥위에‥적합한‥촉매소 재를‥도입함으로써‥해결‥할‥수‥있으며,‥현재‥까 지‥보고된‥촉매소재로‥Au,‥Pt‥[9]와‥같은‥귀금 속과‥LaMnO3‥[8],‥Co3O4‥[10],‥MnOx‥[11]와‥
같은‥ 금속산화물이‥ 대표적이다.‥ 최근에는‥ 촉 매가‥도포된‥멤브레인을‥사용하여‥충전효율과‥
수명특성을‥높게‥향상시킨‥연구도‥보고되었다‥
[12].‥ 고성능‥ 고효율‥ 촉매‥ 공기극으로‥ 적합한‥
소재는‥넓은‥비표면적을‥지님으로써‥많은‥반응‥
자리를‥ 제공‥ 하여야‥ 하며‥ 촉매활성도가‥ 높아‥
충·방전‥반응의‥가역성을‥높여야‥한다.‥이러한‥
조건을‥ 갖춘‥ 촉매물질을‥ 합성하기‥ 위해‥ 많은‥
연구가‥진행되고‥있으며‥그‥중에서도‥전기방사 법으로‥합성한‥촉매소재를‥이용하여‥낮은‥과전 압과‥안정된‥사이클을‥가지는‥리튬공기전지를‥
보고한‥사례를‥제시하고자‥한다.
그림 3. 리튬이온전지와 리튬공기전지 작동 원리 [3].
3.1 전기방사 원리 및 장점
리튬공기전지의‥공기‥극을‥제조하는‥방법으 로‥넓은‥비표면적을‥가지는‥1차원‥나노섬유를‥
손쉽게‥얻을‥수‥있는‥전기방사법이‥있다.‥용액 의‥표면에‥외부‥전기장을‥인가하면‥표면에‥하 전된‥ 전하에‥ 의하여‥ 정전기적‥ 반발력이‥ 형성 된다.‥이때‥정전기적‥반발력이‥용액‥고유의‥표 면장력보다‥ 커지게‥ 되면‥ 수㎛~수십nm‥ 사이 의‥ 직경을‥ 갖는‥ 나노섬유가‥ 방사된다‥ (그림‥
4).‥전기방사법은‥용매에‥다양한‥고분자‥재료 의‥용융‥또는‥혼합이‥가능하므로‥원하는‥조성 의‥소재‥합성이‥용이하다.‥또한‥고분자‥나노섬 유의‥ 비표면적,‥ 공극률‥ 과‥ 같은‥ 형상‥ 및‥ 기공 크기의‥조절이‥손쉽게‥이루어져‥0차원의‥나노 입자‥ 형태부터‥ 1차원‥ 구조의‥ 나노선,‥ 나노튜 브,‥나노섬유,‥나노막대‥형태를‥이루는‥촉매까 지‥전기방사법을‥통해‥편리하게‥제조할‥수‥있 다‥[13].‥특히,‥전기방사를‥통해‥합성된‥1차원‥
나노섬유는‥ 넓은‥ 비표면적으로‥ 인해‥ 리튬과‥
산소의‥반응자리가‥증가하며,‥1차원적인‥경로 를‥통한‥전자의‥전류‥집전체‥사이로‥이동이‥용 이하다고‥알려져‥있다.
3.2 CNF 기반 공기극
리튬공기전지의‥ 방전용량은‥ 공기극‥ 표면에‥
형성되는‥반응생성물의‥양에‥비례한다‥[7(c)].‥
그러므로‥공기극의‥비표면적을‥넓혀‥공기극‥위‥
반응생성물의‥ 생성‥ 양을‥ 높임에‥ 따라‥ 전지의‥
방전용량을‥ 향상‥ 시킬‥ 수‥ 있다.‥ 이에‥ 따라‥ 넓 은‥ 비표면적을‥ 나타내는‥ 탄소에‥ 대한‥ 연구가‥
다수의‥그룹에‥의해‥보고되었다.‥Mesocelluar‥
carbon,‥ honeycomb-like‥ carbon,‥ carbon‥
nanofiber‥ buckypaper,‥ 그래핀‥ 등‥ 다양한‥
형태의‥ 탄소‥ 공기극을‥ 제조하고‥ 이를‥ 리튬공 기전지에‥ 응용한‥ 연구가‥ 보고되었다‥ [14].‥ 그‥
중‥탄소의‥동소체‥중‥하나이며‥sp2혼성궤도함 수‥구조로‥인해‥높은‥전기‥전도도와‥우수한‥기 계적‥강도‥특성을‥지닌‥탄소나노섬유(Carbon‥
nanofiber,‥ CNF)를‥ 전기방사법으로‥ 합성하 여‥공기극‥소재로‥적용한‥연구가‥다수의‥연구 그룹에‥ 의해‥ 보고되었다‥ [13].‥ 그러나‥ 탄소나 노섬유를‥ 단독으로‥ 사용하게‥ 되면‥ 탄소‥ 사이 의‥응집에‥의하여‥전기화학적‥반응‥장소가‥줄 어들기‥때문에‥화학적‥공정‥또는‥촉매와의‥복 합화‥ 공정이‥ 필요하다.‥ Zhang‥ 연구팀은‥ 전 기방사를‥ 통해‥ 얻은‥ 전구체‥ 나노섬유를‥ 이산 화탄소‥ 아래‥ 후‥ 열처리시킴으로써‥ 메조기공 (mesoporous,‥ 2~50‥ nm)과‥ 마이크로‥ 기공 (microporous,‥ ~2‥ nm)을‥ 지닌‥ 활성화‥ 탄 소나노섬유(Activated‥ carbon‥ nanofiber,‥
ACNF)를‥ 제조하였다고‥ 보고하였다‥ (그림‥ 5) [15].‥ 마이크로크기의‥ 다공성‥ 구조로‥ 인하여‥
넓은‥비표면적과‥향상된‥산소‥침투‥특성을‥지 닌‥활성화‥탄소나노섬유는‥200‥mAg-1의‥전류 밀도로‥1,000‥mAg-1의‥용량제한을‥두었을‥때‥
51사이클‥동안‥종지전압(2.0‥V)보다‥높은‥용량 을‥유지함을‥보였다.‥이러한‥결과를‥통해‥19사 이클‥이후‥용량저하를‥나타낸‥CNF보다‥향상된‥
성능을‥지님을‥확인‥할‥수‥있었다.‥이러한‥결과 는‥이산화탄소‥후‥처리를‥통한‥규칙적인‥구조 와‥균일한‥크기의‥메조기공에‥의해‥리튬산화물 이‥형성될‥수‥있는‥반응영역과‥산소의‥넓은‥이 동통로가‥형성되어‥전지의‥충·방전‥성능이‥향 상된‥것으로‥사료된다‥[13].‥
그림 4. 전기방사장치의 개략도.
탄소계‥나노섬유를‥Mn,‥Ni,‥Fe,‥Co‥등의‥다 양한‥ 조성으로‥ 조합된‥ 금속‥ 촉매와‥ 복합화하 여‥공기극으로‥사용‥시‥전지의‥성능을‥크게‥향 상‥ 시킬‥ 수‥ 있다.‥ Zi‥ 연구팀은‥ 전기방사를‥ 통 해‥제조한‥망간/니켈‥금속촉매와‥CNF‥중합체 를‥ 리튬공기전지의‥ 양극으로‥ 이용한‥ 연구를‥
발표하였다‥[16].‥망간/니켈‥금속촉매는‥다공 성‥CNF에‥비해‥우수한‥수명‥특성과‥에너지‥저 장특성을‥ 나타냈다.‥ 망간/니켈‥ 촉매복합체의‥
경우‥15사이클‥후에도‥1,750‥mAhg-1의‥큰‥용 량을‥유지한‥반면‥촉매‥복합체를‥사용하지‥않 은‥ 다공성‥ 탄소나노섬유‥ 공기극의‥ 경우‥ 10사 이클‥후‥716‥mAhg-1(18%)‥의‥급격한‥용량저 하를‥나타냄을‥확인할‥수‥있었다.‥연이은‥Zi‥연 구팀의‥연구결과로써‥전기방사를‥통해‥제조한‥
코발트산화물이‥ 도포된‥ CNF(CoO/CNF)를‥
공기극에‥적용‥시‥CoO/CNF의‥용량이‥약‥50 사이클까지‥유지됨을‥확인‥할‥수‥있었다‥[17].‥
전기방사법을‥ 통해‥ 얻 어진‥1차원‥탄소나노섬 유는‥ 공기극‥ 탄소기반‥
지지체로서‥ 촉매와‥ 복 합화하여‥사용할‥시‥그‥
응용범위가‥ 무궁무진 하며‥ 고성능의‥ 공기극 을‥ 제조하는데‥ 적합할‥
것으로‥기대된다.
3.3 전이금속산화물촉매 복합체 공기극
탄소를‥ 사용한‥ 공기 극에‥대한‥연구와‥동시 에‥ 방전생성물의‥ 분해 를‥ 촉진‥ 하기‥ 위한‥ 전 이금속산화물‥ 촉매‥ 연 구‥또한‥많은‥연구그룹 에서‥ 소개된‥ 바‥ 있다.‥
전이금속‥ 산화물을‥ 공 기극에‥사용‥시‥과전압의‥감소로‥인하여‥전지 의‥효율과‥수명이‥크게‥향상‥될‥수‥있다.‥전이‥
금속‥ 산화물‥ 촉매는‥ 크게‥ 망간산화물(MnOx) 이나‥ 코발트산화물(Co3O4)와‥ 같은‥ 단일금속 산화물과‥세가지‥원소가‥복합화되어‥이루어진‥
페로브스카이트‥구조의‥금속산화물이‥있다.
높은‥ 가격‥ 대비‥ 성능과‥ 우수한‥ 촉매‥ 특성 을‥가지는‥단일‥금속산화물에‥대한‥연구가‥최 근‥ 활발히‥ 진행되고‥ 있다‥ [18].‥ 금속‥ 산화물‥
중‥ Co계산화물은‥ 뛰어난‥ 산소‥ 산화반응‥ 특 성과‥ 함께‥ 안정된‥ 스피넬상을‥ 가진‥ 우수한‥
촉매로‥ 다수의‥ 그룹이‥ 연구‥ 중에‥ 있다.‥ Kim‥
연구팀은‥ 전기방사를‥ 통해‥ Co3O4‥ 나노섬유 를‥ 합성하여‥ 비산화그래핀‥ (Non-oxidized‥
Graphene‥ Nanoflake)과‥ 혼합하여‥ 금속산 화물‥나노섬유/비산화그래핀‥복합‥촉매‥공기 극을‥제조하였다‥(그림‥6).‥제조된‥공기극‥복 합체는‥ 약‥ 10,500‥ mAhg-1에‥ 이르는‥ 방전용 그림 5. 활성화 탄소나노섬유의 반응 매커니즘 개략도와 사이클 특성 [15].
그림 6. 전기방사를 통한 Co3O4 나노섬유/비산화그래핀 촉매복합체 합 성법 [10].
량과,‥ 용량제한을‥ 100‥
mAhg-1으로‥ 두었을‥
때,‥ 80사이클에‥ 이르 는‥안정적인‥용량‥유지 를‥보였다‥[10].
산소‥환원과‥산화‥반 응에‥우수한‥촉매‥활성 도를‥ 지니며,‥ 전기전 도도가‥높은‥특성을‥지
닌‥페로브스카이트‥구조의‥산화물이‥있다.‥널 리‥알려진‥페로브스카이트‥(ABO3)‥형태의‥촉 매‥산화물로‥La계‥산화물이‥대표적이다.‥최근‥
LaMnO3‥나노섬유와‥RuO2‥나노입자를‥복합 하여‥만든‥촉매는‥확연히‥감소된‥과전압(400‥
mAg-1에서‥ 1.0‥ V)을‥ 나타내었고,‥ 용량‥ 제한 을‥1,000‥mAhg-1으로‥두었을‥때,‥320사이클‥
이상의‥매우‥긴‥전지‥수명을‥나타내었다‥[8].‥
또한‥ La0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3‥ 다공성‥ 나노막대‥
와‥산화/환원‥반응에서‥동시에‥촉매특성을‥나 타내는‥ N-도핑된‥ 환원산화그래핀(Reduced‥
Graphene‥ Oxide,‥ RGO)‥ 복합소재가‥ 보고 되었고‥[19],‥이‥외에도‥La0.5Sr0.5CoO2.91‥나노 선,‥ La0.8Sr0.2MnO3‥ 나노막대를‥ 이용한‥ 촉매‥
등‥ 높은‥ 촉매효과를‥ 나타내는‥ 페로브스카이 트‥구조의‥금속산화물‥촉매에‥대한‥많은‥연구 가‥이루어지고‥있다‥[20].‥전기방사를‥이용하 여‥ 제조한‥ 금속산화물‥ 나노섬유촉매는‥ 귀금 속‥촉매들을‥대체할‥우수한‥경제성을‥보이므 로‥ 추후‥ 꾸준한‥ 연구‥ 개발을‥ 통해‥ 높은‥ 활성 을‥ 지닌‥ 촉매‥ 공기극을‥ 제조할‥ 수‥ 있을‥ 것으 로‥기대한다.
3.4 촉매활성 분리막 (Catalytic Membrane)
다양한‥고체촉매를‥합성하고‥공기극에‥도포 하여‥리튬공기전지의‥성능을‥높이려는‥시도가‥
보고되어‥왔다.‥그러나‥공기극에‥직접‥도포된‥
촉매들은‥ 전류집전체와‥ 전기적으로‥ 연결되어‥
있기‥때문에‥초기‥방전반응‥시‥전기화학적‥반
응에‥ 참여하게‥ 되어‥ 촉매‥ 표면이‥ 비활성화되 는‥문제점을‥안고‥있다‥[4].‥Taylor그룹에서는‥
3차원‥ 촉매활성‥ 고분자‥ 섬유막을‥ 전기방사를‥
통해‥합성하여‥리튬공기전지의‥중간층으로‥삽 입한‥신개념의‥리튬공기전지‥구조를‥보고하였 다‥[12].‥전기방사를‥통해‥고분자‥나노섬유‥막 을‥제조‥후‥촉매를‥고루‥분포시켜‥촉매활성‥분 리막을‥제조한다.‥공기극과‥분리막‥사이에‥촉 매활성‥분리막을‥중간층형태로‥삽입하게‥되면‥
부도체인‥ 고분자‥ 지지체로‥ 인해‥ 촉매‥ 쪽으로‥
전류가‥직접‥흐르는‥것을‥방지하게‥되어‥방전 반응‥시‥고분자‥위에‥위치한‥촉매‥표면에‥리튬 산화물이‥ 형성되지‥ 않는다.‥ 그러므로‥ 방전반 응과‥동시에‥리튬산화물은‥공기극‥표면에서만‥
생성되며‥ 생성물이‥ 성장함에‥ 따라‥ 촉매활성‥
분리막‥ 위에‥ 도포되어‥ 있는‥ 촉매와‥ 물리적으 로‥접촉하게‥되어‥촉매활성을‥부여한다.‥방전‥
후에도‥촉매활성‥분리막‥상단은‥리튬산화물과‥
비활성화문제‥없이‥접촉을‥하며‥이로‥인해‥높 은‥산소발생‥활성도를‥가질‥수‥있어‥향상된‥사 이클‥특성을‥보이게‥된다.‥일반적인‥리튬공기 전지는‥ 37사이클‥ 이후‥ 용량의‥ 저하가‥ 발생하 였으나‥ 촉매활성‥ 분리막을‥ 삽입한‥ 경우‥ 60사 이클동안‥기존의‥용량이‥잘‥유지‥됨을‥확인하 였다.‥다양한‥고분자‥섬유막의‥제조가‥가능한‥
전기방사법을‥통해‥합성‥후‥이를‥촉매활성‥분 리막의‥지지체로‥사용하면‥리튬공기전지의‥효 율과‥수명특성을‥개선을‥극대화‥시킬‥수‥있을‥
것으로‥사료된다.
그림 7. 촉매 활성 고분자 섬유막이 포함된 리튬공기전지의 개략도와 사 이클 특성 [12].
4. 결론 및 전망
리튬공기전지는‥ 차세대‥ 전기자동차의‥ 유력 한‥ 이차전지로‥ 큰‥ 주목을‥ 받고‥ 있다.‥ 전극‥ 구 조‥ 내에‥ 리튬이온을‥ 저장하여‥ 용량을‥ 부여하 는‥리튬이온전지와는‥달리‥리튬공기전지는‥표 면반응으로‥ 구동되며‥ 전지의‥ 가역‥ 용량이‥ 비 표면적과‥공기극‥형상에‥따라‥크게‥좌우된다.‥
그러므로‥ 공기극과‥ 촉매소재를‥ 나노‥ 복합체‥
구조로서‥ 미세‥ 조절하여‥ 제조하는‥ 것이‥ 매우‥
중요하며‥전기방사법은‥대표적인‥나노구조‥합 성법으로‥ 리튬공기전지‥ 전극제조‥ 기술로‥ 매 우‥ 유망하다.‥ 전기방사법을‥ 이용한‥ 리튬공기 전지‥기술은‥아직까지‥초기단계이나‥1차원‥나 노섬유구조를‥ 매우‥ 쉽게‥ 합성이‥ 가능하며‥ 큰‥
비표면적으로‥ 인해‥ 많은‥ 반응자리를‥ 부여할‥
수‥있는‥장점으로‥연구개발이‥최근‥활발히‥이 루어‥지고‥있다.‥전기방사를‥이용하여‥나노섬 유‥공기극‥촉매‥소재를‥제조할‥경우‥전구체‥용 액의‥조절을‥통해‥원하는‥조성으로‥합성이‥가 능하여‥그로‥인해‥높은‥활성도를‥가지는‥촉매 설계에‥매우‥유리하다.‥그러므로‥다양한‥형태 의‥탄소소재의‥나노섬유나‥금속산화물‥나노섬 유를‥ 개발하고‥ 이종의‥ 다른‥ 기능성‥ 물질들과 의‥복합화를‥통해‥촉매성능을‥최적화‥시킬‥수‥
있을‥것으로‥기대한다.‥뿐만‥아니라‥새로운‥접 근법으로서‥ 최근‥ 보고된‥ 촉매활성‥ 분리막‥ 고 분자‥지지체‥합성법으로도‥널리‥사용될‥수‥있 을‥것이며‥추후‥다양한‥응용을‥통해‥리튬공기 전지‥ 내에서의‥ 활용도는‥ 더욱더‥ 커지리라‥ 사 료된다.‥ 리튬공기전지는‥ 미래‥ 가솔린‥ 자동차 를‥대체할‥고‥에너지‥이차전지로서‥4차‥혁명으 로‥ 대표되는‥ 미래의‥ 스마트‥ 전기자동차의‥ 기 술로‥널리‥응용될‥것으로‥전망된다.‥그러므로‥
리튬공기전지용‥맞춤형‥전극‥및‥촉매소재합성‥
기술로서‥전기방사법의‥활용도는‥무궁무진‥할‥
것으로‥ 기대되며‥ 미래‥ 차세대‥ 전지용‥ 나노소 재‥합성을‥위한‥핵심‥플랫폼으로‥널리‥응용될‥
것이다.
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저|자|약|력|
성 명 : 이나원
◈ 학 력
·2012년
경기대학교 공과대학 신소재공학과 공학사
·현재 숙명여자대학교 대학원 화공생명공학부 석사과정 재학
성 명 : 이준서
◈ 학 력
·현재
연세대학교 공과대학 신소재공학과 재학
성 명 : 류원희
◈ 학 력
·2006년
연세대학교 공과대학 금속시스템공학과 공학사
·2007년
한국과학기술원 대학원 신소재공학과 공학석사
·2012년 한국과학기술원 대학원 신소재공학과 공학박사
◈ 경 력
·2010년 - 2011년 방문연구원, 아르곤국립연구소 (Argonne National Laboratory)
·2012년 - 2013년 한국과학기술원 신소재공학과 박사후연구원
·2013년 - 2016년 예일대학교 화공환경공학과 박사후연구원
·현재 숙명여자대학교 화공생명공학부 조교수
![[기획특집: 차세대 태양전지용 소재 기술] 비풀러렌 소재 기반 유기태양전지 연구 동향 및 전망](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)