꿈의 고용량 배터리 ‘금속-공기전지’ 상용화 가속화

- UNIST 김건태 교수팀, 공기극용 고효율 비귀금속 촉매 개발



[헤럴드경제=구본혁 기자] 리튬이온전지보다 배터리 용량이 크게 늘어난 리튬-공기전지, 금속-공기전지와 같은 차세대 전지의 상용화를 앞당길 효율적인 촉매기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀이 새로운 형태의 금속-공기전지용 공기극 촉매를 개발했다고 23일 밝혔다.

페로브스카이트 물질을 나노섬유 형태로 만든 이 촉매는 기존 귀금속 촉매 만큼의 성능을 보이면서도 저렴하고 전기화학적 안정성도 뛰어나 리튬-공기전지를 비롯한 금속-공기전지의 상용화에 기여할 전망이다.

아연-공기전지 모식도. 멍이 뚫린 부분이 공기극, 반대쪽이 연료극이다. 아연을 연료극으로 쓰고, 새로 개발한 촉매를 적용한 아연-공기전지에서 매우 뛰어난 충ㆍ방전 안정성을 보였다. [제공=UNIST]

금속-공기전지는 금속으로 이뤄진 ‘연료극’과 촉매가 들어 있는 ‘공기극’으로 구성된다. 공기극에서 받아들인 산소를 연료극에 있는 금속과 반응시키면서 전기를 발생시키는 일종의 연료전지다. 이 반응을 거꾸로 일으키면 충전도 가능하다. 산화된 금속에서 산소를 분리하면 배터리로도 활용 가능하다. 구조가 간단하고, 소재가 저렴하며, 전기용량도 커 ‘고용량 배터리’로 주목받고 있다.

그동안 금속-공기전지의 공기극에는 백금이나 산화이리듐 같은 귀금속 촉매가 사용됐지만 이들은 가격이 비싸고 내구성이 약해 대규모로 응용하기 어려웠다.

연구팀은 전기 전도도가 높고 촉매 활성이 좋은 ‘양이온 정렬형 더블 페로브스카이트’를 이용해 새로운 촉매를 개발했다. 코발트와 철을 적절한 비율로 도입한 페로브스카이트 물질을 만들고, 이 물질의 효율을 극대화할 수 있는 나노섬유 구조로 만든 것.

페로브스카이트 나노섬유 촉매는 특히 충전에 필요한 화학반응에서 우수한 성능을 보였다. 0.3V의 과전압에서 이 촉매의 산소발생반응 효율은 산화이리듐보다 약 9배 더 높았고, 연료극에 아연을 쓰는 아연-공기전지에 적용했을 때에도 매우 뛰어난 충ㆍ방전 안정성을 나타냈다.

고효율 비귀금속 촉매를 개발한 UNIST 김건태(가운데) 교수 연구팀

김건태 교수는 “이 물질의 높은 전기화학적 촉매 성능은 금속-공기전지의 상용화에 큰 역할을 할 것으로 판단된다”며 “최근 다수의 글로벌 기업들이 금속-공기전지 개발에 진입하면서 많은 투자가 이뤄지고 있어 기술적 난제를 조기에 해결하고 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘ACS Nano’ 10월 20일자 온라인 속보로 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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