리튬 이산화탄소 배터리((lithium-carbon dioxide)는 리튬(Li)을 음극재로, 이산화탄소(CO₂)를 양극재로 사용하는 2차전지이다. 리튬이온이 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 포집할 수 있다. 전해질로는 용융염(molten salt)을 쓰고, 추가로 루테늄(Ru) 촉매를 도입해 공장 굴뚝과 같이 뜨겁고 이산화탄소 농도가 높은 환경에서 효과적으로 작동한다.
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.[1]
연구 성과[편집]
리튬 이산화탄소 배터리 성능 향상 설명도 (사진: UNIST)
질산용융염 전해질과 루테늄을 이용한 리튬 이산화탄소 배터리의 전기화학적 성능 향상 설명도를 보면, 일반 전해질을 사용했을 경우 대비 질산염과 루테늄 촉매를 사용했을 경우 전력밀도가 13배 정도 향상됐다. 그래프의 왼쪽에 표시된 값으로 각각 회색, 파란색, 주황색 선으로 표시돼 있다. 또 동일 전류에서 방전 과전압이 감소함을 확인할 수 있다. 그래프의 오른쪽에 표시된 값으로 검정색 선으로 표시돼 있다.
- 미국 일리노이 대학교의 연구팀은 충방전 사이클을 500회로 늘린 새로운 리튬 이산화탄소 배터리를 개발했다. 연구팀은 이황화 몰리브덴(molybdenum disulfide) 나노플레이크를 음극 촉매 소재로 활용하고 전해질 이온 용액과 디메틸 설폭사이드 (dimethyl sulfoxide) 전해질로 이용하는 리튬 이산화탄소 배터리를 개발해 이와 같은 성과를 거뒀다. 물론 현재까지는 실용적인 배터리라기보다는 실험 단계지만, 흥미로운 결과이다.[2]
- 지금까지의 리튬 이산화탄소 배터리는 작동 과정에서 과전압이 발생한다는 문제가 있었다. 과전압이 생기면 전지수명이 줄어들고 전류 밀도도 낮아져 이산화탄소 포집 효율도 떨어지게 된다. 처음에는 리튬이온 배터리보다 수배 강하던 리튬 이산화탄소 배터리 성능은 충전과 방전이 거듭되며 뚝뚝 떨어져 충․방전 횟수가 100여회에 달하면 더 이상 못 쓰게 되었다. 이산화탄소도 줄이고 전기도 얻을 수 있음에도 리튬 이산화탄소 배터리가 널리 쓰이지 못했던 이유이다.
- UNIST 연구팀은 이를 해결하기 위해 기존의 전해질 대신 질산염으로 구성된 고체를 전해질로 사용했다. 그리고 양극 표면에 루테늄 나노 입자를 촉매로 붙였다. 과전압을 막기 위해서이다. 고체 질산염은 100도 이상의 고온에서 녹아 전해질로 작용하고, 루테늄 촉매는 전류 밀도가 높은 상태에서도 전지가 작동하도록 돕는 역할을 한다. 덕분에 전력 밀도가 기존에 비해 13배나 좋아졌다. 그 기술을 인정받아 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에도 발표됐다.[3]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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