Recently Li/air batteries have been considered to be a promising candidate for EV and HEV applications due to their exceptionally high energy density. A key factor for the practical application of Li/air batteries is to solve the poor reversibility of nonconductive discharge products (Li2O2, Li2O), which remains a significant limiting factor for Li/air batteries. Consequently, finding a new catalyst with an enhanced catalytic activity for the reversible electrode reaction is indispensable for the wider use of Li/air batteries.
Here, we synthesized the hybrid Co3O4/graphene catalyst by a simple chemical reduction method, which resulted in an in-situ growth of Co3O4 particles (8-10 nm) on graphene, and demonstrate that the Li/air cell with the hybrid catalyst delivers extremely high capacity of approximately 6000 mAh g-1 after 10 cycles with the significant enhancement of oxygen evolution reaction (OER). The excellent catalytic performance of the hybrid Co3O4/graphene is attributed not only to the extremely small Co3O4 particles well-dispersed in the electrode but also to the facile electron transport through the graphene.
환경 오염 문제 및 연료 고갈 문제와 맞물려 전기자동차의 활용이 증가하면서 리튬이차전지의 대용량화가 필수 불가결한 시대가 되었다. 전기 자동차 뿐만 아니라, 대형 의료기기 및 대용량 에너지 저장 시스템과 같은 대형 기기에 배터리 시스템을 적용하기 위해서는 기존의 리튬이차전지의 에너지 밀도를 뛰어 넘는 새로운 유형의 배터리를 개발하는 것이 필수 적이다. 이러한 연구 동향과 맞물려, 기존의 용량을 5~10배 이상 뛰어 넘는 리튬-공기 배터리가 대체 물질로써 주목을 받고 있으며 현재 활발히 연구되고 있다.
그러나, 리튬-공기 배터리가 최고의 에너지 밀도를 나타내지만, 방전 과정 중 생성되는 비전도성 물질(Li2O2, Li2O) 때문에 싸이클 특성이 현저하게 떨어지는 단점을 보인다. 따라서, 높은 에너지 밀도를 유지 할 수 있도록 방전 생성 물질의 분해를 촉진 해주는 적절한 촉매의 개발이 필요하다.
본 연구에서는 기존의 리튬-공기 배터리에서의 촉매사용과 다르게, 평평한 전도성 그래핀을 지지체로 이용하여 나노크기의 Co3O4 촉매를 직접 그래핀 위에 성장하여 우수한 촉매 활성화 특성을 확보 하였다. 그래핀 위에 고르게 분산된 나노 크기의 촉매들이 우수한 촉매 활성화 면적을 확보 하였고 이로 기인한 Co3O4/그래핀 하이브리드 촉매가 효과적으로 비전도성 물질(Li2O2, Li2O)을 분해 하였다. 본 연구를 통해 리튬-공기 배터리의 치명적인 단점인 싸이클 특성을 보완해주는 효율적인 촉매를 합성하였고 하이브리드 촉매의 가능성을 확인 하였다.
