Study on the noble metal catalysts for high-efficiency Li-O2 battery cathodes

Abstract

전기 자동차(EVs), 에너지 저장 시스템(ESS) 등 전기를 에너지원으로 하는 장치들의 발전에 따라 고에너지밀도를 가지는 전지에 대한 필요성이 증가하고 있다. 기존 상업적으로 다양한 기기 장치에서 사용 되는 리튬 이온 전지(LIB)는 실제 성능이 이론값에 근접할 만큼 연구 개발 되어졌음에 그 한계를 드러내고 있다. 따라서 고에너지밀도를 가지는 차세대 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 많은 차세대 전지 중에서도 가장 높은 에너지밀도를 가지는 리튬 공기 전지에 대한 관심이 증대되고 있다. 리튬 공기 전지는 리튬 금속을 사용하는 음극에서 이동한 두 개의 리튬 이온과 외부에서 무한정 공급되는 산소가 다공성 탄소로 구성된 양극에서 만나 리튬 과산화물을 생성하고 분해되는 과정(2Li++ O2 + 2e- → Li2O2)을 통하여 전기에너지를 충∙방전하는 전지이다. 리튬 이온의 탈∙삽입을 위한 구조체나 무거운 전이 금속 등이 요구되지 않고, 또한 외부에서 무한정 공급되는 산소와 리튬 이온의 반응이기 때문에 약3500 Wh kg-1의 높은 에너지밀도를 가지는데, 이는 가솔린의 에너지밀도와 상응하는 높은 수준이다. 그러나 이러한 우수한 에너지밀도 특성에도 불구하고, 실사용을 위하여 해결해야 할 많은 과제가 산적해 있다. 전해질의 분해, 리튬 메탈을 사용하는 음극의 불안정성, 그리고 양극의 성능 저하 문제 등이 충∙방전 에너지효율 및 수명 성능 등을 악화시킨다. 무엇보다도 느린 산소 반응이 야기하는 (특히, 산소 발생 반응, OER) 높은 과전압은 리튬 공기 전지의 에너지효율에 치명적이다. 이 산소의 산화, 환원 반응에서의 과전압을 줄이기 위하여 전이 금속, 페로브스카이트. 귀금속 등 다양한 촉매들을 양극에 사용하는 연구가 실행되었다. 이 논문에서는 귀금속 촉매를 환원시킨 산화그래핀(rGO)에 적재하여 리튬 공기 전지의 양극 촉매로 사용함으로써 리튬 공기 전지의 성능을 향상시키기 위한 연구를 진행하였다. 이를 위해 상기 촉매가 적용된 리튬 공기 전지의 성능을 평가, 분석하였고, 촉매 효과와 반응생성물의 관계 등을 규명하였다. 추가적으로 귀금속 촉매 자체의 효율을 높이기 위한 구조 및 소재 설계에 대해 고찰였다. 2장에서는 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 루테늄(Ru)의 귀금속 촉매를 산화그래핀과 합성하고 이를 리튬 공기 전지의 양극 촉매로 사용하는 전지의 성능에 대하여 평가하였다. 귀금속 촉매는 방전 전압에는 영향을 끼치지 못하지만 충전 중의 산소 발생 반응 (OER)에서는 괄목 할 만큼 과전압을 낮추고, 특히 루테늄-산화그래핀(Ru-rGO)을 이용한 양극은 과전압을 낮춤과 함께 전해질 분해를 억제하여 높은 수명 특성을 보였다. 특성 향상의 원인에 대하여 방전 생성물의 반응과 빠른 산소 운동 때문임을 정량·정성 및 전기화학적 분석을 통하여 증명하였다. 3장에서는 산화그래핀과 루테늄, 산화루테늄의 OER 특성에 대한 전기화학적 성능 분석과 산화루테늄에 대한 의견을 제시하였다. 산화루테늄은 신속한 산소 반응에 적합한 최적의 산소 결합에너지를 가지므로 금속 루테튭보다 전기화학적 특성을 향상할 수 있다. 귀금속 촉매는 상술한 것과 같이 우수한 특성을 가지지만 높은 가격과 적은 매장량 등의 문제로 실사용에 제약이 있다. 따라서 촉매 사용량을 줄 일 수 있도록 효율을 높이는 연구가 요구된다. 4장에서는 귀금속 촉매의 효율을 높이기 위하여 귀금속 촉매 중 가장 우수한 전지 특성을 보인 산화루테늄을, 우수한 전기화학적 촉매 특성을 가지는 몰리브덴 다이설파이드 나노시트 표면에 코팅함으로써 촉매의 효율을 높이는 연구를 진행하였다. 산화루테늄의 사용량을 줄임과 동시에 전기전도도가 취약한 몰리브덴 다이설파이드의 효율을 상호보완적으로 증대시켰고, 상호보완적 전지 특성 향상의 원인이 증명되었다. 이 학위논문에서 귀금속 촉매와 방전 생성물 간의 관계를 규명하고, 귀금속 촉매의 효율을 높여 전체 사용량을 줄일 수 있도록 설계함으로써 고효율의 리튬 공기 전지 양극재에 대한 연구를 실행하였다.