전기전자 나트륨-산소 배터리의 중요 반응 메커니즘

2015.06.07 16:24

나트륨-산소 배터리의 중요 반응 메커니즘 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015050443&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-06-01

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워터루 대학 화학자들은 전기화학 에너지 저장의 소위 성배의 개발을 위한 방법을 열 수 있을 나트륨-공기 배터리에서 발생하는 중요 반응을 발견했다.

고체 에너지 물질 캐나다 연구 소장인 린다 나자르 교수에 의해 지도된 나노기술 워터루 연구소 연구원들은 왜 나트륨-산소 배터리가 리튬-산소 배터리에 비해 더 에너지 효율적인지 설명하는 중요 매개 경로를 발견했다.

어떻게 나트륨-산소 배터리가 작동하는지 이해하는 것은 전기화학 에너지 저장의 성배로 보여지던 더 강력한 리튬-산소 배터리를 개발할 수 있다는 것을 암시하고 있다.

그들의 결과들은 저널 네이처 케미스트리에서 볼 수 있다.

새로운 이해는 전체 그림을 완성할 수 있었던 서로 다르고 연결되지 않은 많은 퍼즐 조각들을 함께 맞출 수 있게 해 준다고 화학과 교수인 나자르 박사가 전했다. 이 발견은 비수용성 금속-산소 배터리에 관한 정보를 변화시킬 것이다.

나트륨-산소 배터리는 특별히 유망한 금속-산소 배터리 결합이 될 것으로 여겨진다. 비록 리튬-산소 전지보다 에너지 밀도가 적지만, 93퍼센트 효율 이상으로 재충전될 수 있으며 대형 전기 그리드 저장을 위해 충분히 저가이다.

나자르 박사 연구그룹의 주요 발견은 소위 광자 위상 전이 촉매이다. 배터리의 방전과 재충전 반응들에서 이 촉매의 역할을 격리시켜, 연구원들은 배터리의 용량을 향상시킬 수 있고 전지의 거의 완벽한 재충전을 이루었다. 연구원들이 이 시스템에서 이 촉매를 제거했을 때, 그들은 이 배터리가 더 이상 작동하지 않는다는 것을 발견했다.

일반적인 고체 상태 배터리 디자인과 달리, 금속-산소 배터리는 산소를 얻는 가스 음극을 이용하고 산화 중 전자들을 저장하도록 금속 산화물을 형성하기 위해 나트륨이나 리튬과 같은 금속으로 산소와 결합시킨다. 전류를 인가하여 이 반응을 뒤집어 원래의 형태로 이 금속을 되돌린다.

나트륨-산소 전지의 경우, 광자 위상 촉매는 마이크로크기 정육면체들로 방전 물질을 성장시키기 위해 잘 만들어진 나노결정들로 핵생성하는 새로운 형태의 나트륨 초과산화물 (NaO2) 독립체들로 전이한다. 초기 형성된 NaO2의 크기들이 매우 중요하다. MIT 그룹에서의 이론적인 계산들은 NaO2가 나노크기에서 Na2O2인 나트륨 과산화물 형태보다 에너지적으로 선호된다는 것을 따로 보였다. 이 배터리가 재충전될 때, NaO2 정육면체들은 광자 위상 촉매에 의해 다시 한번 촉진된 역반응으로 기꺼이 분해된다.

화학은 광자 위상 촉매가 리튬-산소와 비슷하게 작용할 수 있다고 보여준다. 그러나 리튬 초과산화물 (LiO2) 독립체들은 너무 불안전하고 리튬 과산화물 (Li2O2)로 즉시 전환한다. 일단 Li2O2가 형성되면, 이 촉매는 순반응과 역반응이 더 이상 같지 않아 역반응을 촉진할 수 없다. 그래서, 리튬-산소 시스템에서 진보를 이루기 위해, 연구원들은 전지를 효율적으로 충전시키기 위해 첨가 산화환원 매개물질의 발견이 요구된다.

연구원들은 이 연구에 영감을 준 나트륨-산소 배터리를 위해 새로운 기회들을 찾고 산화환원 매개물질들을 조사하고 있으며 리튬-산소와 나트륨-산소 배터리들은 매우 유망한 미래를 가지고 있지만 그들의 개발은 얼마나 높은 용량과 가역성이 과학적으로 성취될 수 있는지 조사될 필요가 있다고 있다고 나자르 박사가 전했다.

그림 설명: 워터루 대학 화학자들은 소위 전기 화학 에너지 저장의 성배 개발에 대한 방법을 발견할 수 있는 나트륨-공기 배터리에서 발생하는 중요 반응을 관찰했다. 나자르 연구그룹의 발견은 소위 광자 위상 전이 촉매의 개발이다. 배터리 방전과 재충전 반응들의 역할을 격리시켜, 연구원들은 배터리 용량을 향상시킬 수 있으며 전지의 거의 완벽한 재충전을 얻었다. 연구원들이 시스템에서 이 촉매를 제거했을 때, 배터리가 더 이상 작동하지 않는다는 것을 발견했다. 일반적인 고체 상태 배터리 디자인과 달리, 금속-산소 배터리는 산소를 얻고 산화과정에서 전자들을 저장하도록 금속 산화물을 형성하기 위해 나트륨이나 리튬과 같은 금속을 산소과 함께 결합한다. 전류 인가는 이 반응을 뒤집고 원래의 형태로 이 금속을 되돌린다.

참고 자료: The critical role of phase-transfer catalysis in aprotic sodium oxygen batteries, Nature Chemistry 7, 496–501 (2015) DOI: 10.1038/nchem.2260

[출처] http://m.phys.org/news/2015-05-chemists-key-reaction-mechanism-highly.html

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