차세대 전기차 배터리 개발

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-16

매우 얇은 나노물질은 전기차들을 위한 더 값싸고 더 가벼우며 더 강력한 재충전 가능 배터리를 개발하기 위해 전 세계적인 경쟁 속에 있는 워털루 과학자들에 의한 주된 돌파구의 핵심이다. 워털루 대학 화학과 교수인 린다 나자르 박사와 그녀의 연구팀은 네이처 커뮤니케이션스 최근호에 리튬-황 배터리 기술에서의 진보를 설명했다. 재충전 가능 황 음극을 유지하는 물질의 개발은 리튬-황 (Li-S) 배터리를 만드는 주된 문제를 극복하는데 도움을 준다. 이런 배터리는 훨씬 더 적은 가격에서 같은 무게의 현재 리튬 이온 배터리보다 세 배 더 많이 전지차에 전력을 이론적으로 공급할 수 있다. 이는 앞으로 향하는 주된 단계이며 리튬-황 배터리를 실현하는데 한 발자국 앞서나가게 해 주는 원동력이라고 고체 에너지 재료 캐나다 연구소장이며 톰슨 로이터스에 의해 높게 인용되는 연구원으로 알려진 나자르 박사가 전했다. 나자르의 연구그룹은 나노물질을 이용한 Li-S 배터리의 실현 가능성을 시험하는 그들의 2009년 네이처 머터리얼스 논문으로 잘 알려져 있다. 이론적으로, 황은 현재의 리튬 이온 전지에서 리튬 코발트 산화물에 대하여 경쟁적인 음극을 제공할 수 있다. 배터리 물질로 황은 매우 풍부하며 상대적으로 가볍고 매우 저가이다. 불행하도, 황 음극은 황이 다황화물을 형성하기 위해 들어오는 전자들에 의해 환원됨에 따라 전해질 용액 내로 분해되기 때문에 수 주기 후 자체적으로 배출된다. 나자르 박사의 연구그룹은 본래 다공성 탄소들이나 그래핀들이 물리적으로 그들을 포획하여 다황화물을 안정화시킬 수 있을 것이라고 생각했다. 그러나, 예기치 못한 것처럼, 그들은 금속 산화물들이 중요한 역할을 할 수 있다는 것을 발견했다. 금속 타이타늄 산화물에 대한 초기 연구는 네이처 커뮤니케이션스에 최근 게재되었다. 연구원들이 이후 망간 이산화물(MnO2) 나노시트들이 타이타늄 산화물에 비해 훨씬 더 훌륭히 작용한다는 것을 발견하였지만 이 논문에서 주된 목표는 작용하는 메커니즘을 확인하는 것이었다. 새롭고 진보된 물질들을 개발할 수 있기 전에 이 현상의 기본적인 이해에 집중해야 한다고 나자르 박사가 말했다. 그들은 얇은 MnO2 나노시트의 산소화된 표면이 표면 결합 매개 다티오황화물을 포함하는 2단계 과정에서 황화물을 화학적으로 재생하는 것을 발견했다. 이 결과는 2000 주기 이상 재충전할 수 있는 고성능 음극이다. 표면 반응은 독일 황 화학의 황금기 동안인 1845년 발견된 바켄로더의 용액의 화학 과정과 비슷하다. 매우 적은 연구원들이 황 화학을 연구하고 가르치고 있으며 역설적으로 연구원들이 미래를 매우 변화시킬 수 있는 어떤 것을 이해하기 위해 과거의 문헌들을 찾고 있다고 나자르 박사가 설명했다. 박사후 연구원이며 주저자인 시아오 리앙, 대학원생들인 코너 하트와 쿠안 팽은 그래핀이 비슷한 메커니즘에 의해 작용한다는 것을 발견했다. 그들은 현재 최고의 황 고정 물질을 찾기 위해 다른 산화물들을 조사하고 있다. 전기화학 및 배터리에 대한 BASF 국제 과학 네트워크는 이 연구를 지원했다. 이 논문의 공동 저자들로 BASF의 안드 카르수치와 토마스 웨이스가 포함되어 있다. 참고 자료: Nature Communications, http://www.nature.com/ncomms/2015/150106/ncomms6682/full/ncomms6682.html http://m.phys.org/news/2015-01-chemists-closer-electric-car-battery.html