▲ (左부터) 방전후의 CNT 공기극의 SEM 사진 과산화 리튬이 대량으로 석출하고 있다, 충전후의 CNT 공기극의 SEM 사진 과산화 리튬 분해되어 CNT만 보인다. (출처 : JST).

일본 연구진이 CNT를 이용해 기존의 리튬이온배터리보다 고용량을 가지는 리튬공기전지를 개발했다.

일본의 국가 연구개발 법인 물질·재료 과학기술진흥기구(JST)는 리튬공기전지의 공기극 재료로 탄소나노튜브(CNT)를 채용해 기존의 리튬이온배터리(LIB)의 15배에 해당하는 매우 높은 축전 용량을 실현했다고 지난 5일 밝혔다.

이차전지는 전기자동차용 전원 또는 태양전지와 결합된 가정용 분산 전원으로 향후 수요 확대가 기대되고 있다.

그러나, 현재의 리튬 이온 전지는 소형 고전압, 긴 수명의 우수한 특성에도 불구하고, 축전용량을 결정하는 에너지 밀도가 거의 한계에 도달하고 있으며 이에 리튬공기전지가 주목받고 있다.

리튬공기전지는 모든 이차전지 중 이론상 최고의 에너지 밀도를 가져 축전 용량의 극적인 향상과 대폭적인 비용 절감이 가능하기 때문이다. 그러나 기존의 연구는 소량의 재료에서 전지 반응을 조사 기초 연구가 중심으로 실제 셀 모양에서 큰 용량을 입증 한 예는 없었다.

연구진은 거대한 용량의 실현에 탄소나노튜브의 큰 표면적과 유연한 구조가 기여하고 있다고 생각된다고 밝혔다.

리튬공기전지의 구성은 양극(공기극), 세퍼레이터, 음극(리튬금속)에 전해액을 넣은 것이다. 방전반응은 음극에서 리튬이 녹아 양극의 산소와 반응해 과산화리튬을 석출하는 것으로 이 석출량이 축전용량에 해당한다. 따라서 양극의 탄소재료에는 다공질(기공부피가 많은)것이 요구된다.

이에 연구진은 양극의 재료로 CNT 시트를 이용했다. 과산화리튬의 석출이 제한되기는 커녕 CNT 시트 통해 대량으로 석출이 일어났다. CNT 시트의 두께는 200μm에서 600μm까지 3 배나 부풀었다. CNT 시트는 충전(과산화리튬의 분해)을 하면 침전물이 사라져 원래의 두께로 돌아간다.

연구팀은 현실적인 셀 형상에서 단위 면적당 축전 용량으로 30mAh/㎠로 매우 높은 값을 실현했다. 이 값은 기존의 리튬 이온 배터리 (2mAh/㎠정도)의 15배에 해당하는 것으로 이 성과는 공기극 재료에 탄소나노튜브를 이용한 공기극의 미세 구조 등을 최적화함으로써 얻은 것이다.

연구진은 “향후이 성과를 활용하여 실용적인 수준에서 진정으로 고용량 리튬공기전지 시스템의 개발을 목표로 셀을 적층한 스택의 고에너지 밀도화, 공기로부터 불순물을 제거 등의 연구에도 임해 가겠다”고 밝혔다.

한편, 본 연구성과는 Scientific Reports잡지에 지난 4월5일에 게재됐다.