UNIST, '고용량 배터리' 금속-공기전지 촉매 개발

UNIST, '고용량 배터리' 금속-공기전지 촉매 개발

고용량 배터리로 차세대 전지로 주목받는 금속-공기전지를 상용화할 수 있는 싸고 효율적인 촉매 기술이 개발됐습니다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수팀이 같은 학부 조재필 교수팀과 함께 새로운 형태의 금속-공기전지(Metal-Air Battery)용 공기극 촉매를 개발했다고 23일 밝혔습니다.

페로브스카이트 물질을 나노섬유 형태로 만든 이 촉매는 기존 귀금속 촉매만큼의 성능을 보이면서도 저렴하고 전기화학적 안정성도 뛰어납니다. 페로브스카이트는 양이온과 음이온, 할로겐화물이 독특한 결정 구조를 가진 물질입니다.

금속-공기전지뿐만 아니라 1㎏당 에너지 밀도가 휘발유에 가까운 리튬-공기전지의 상용화에도 기여할 전망입니다.

글로벌 기업들도 많은 투자에 나서고 있습니다.

금속-공기전지는 금속으로 이뤄진 '연료극'과 촉매가 들어 있는 '공기극'으로 구성됩니다.

공기극에서 받아들인 산소를 연료극에 있는 금속과 반응시키면서(산화) 전기를 발생시키는(방전) 일종의 연료전지입니다.

이 반응을 거꾸로 일으키면 충전도 가능합니다. 산화된 금속에서 산소를 분리하면 배터리로도 활용할 수 있습니다.

구조가 간단하고, 소재가 싸며 전기용량도 커서 고용량 배터리로 주목받고 있습니다.

그동안 금속-공기전지의 공기극에는 백금(Pt)이나 산화이리듐(IrO₂) 같은 귀금속 촉매가 사용됐습니다. 이들은 공기극에 필요한 화학반응에서 우수한 성능을 보이지만 비싼 데다 희소성이 높고 내구성이 약해 대규모로 응용하기 어려웠습니다.

김 교수팀은 전기 전도도가 높고 촉매 활성이 좋은 '양이온 정렬형 더블 페로브스카이트(cation ordered double perovskite)'을 이용해 새로운 촉매를 개발했습니다.

코발트(Co)와 철(Fe)을 적절한 비율로 도입한 페로브스카이트 물질을 만들고, 이 물질의 효율을 극대화할 수 있는 나노섬유(nanofiber) 구조로 만든 것입니다.

연구에 제1저자로 참여한 권오훈 UNIST 석박통합과정 연구원은 "다공성 구조의 페로브스카이트 나노섬유는 균일한 구멍을 가지므로 표면적이 높다"며 "이 덕분에 공기극에서 산소가 전자를 얻는 산소 환원 반응이나 전자를 내놓는 산소 발생 반응 모두 향상했다"고 설명했습니다.

페로브스카이트 나노섬유 촉매는 특히 충전에 필요한 화학반응(산소 발생 반응)에서 우수한 성능을 보였습니다.

0.3V의 과전압에서 이 촉매의 산소 발생 반응 효율은 산화 이리듐(IrO2)보다 약 9배 더 높았습니다.

또 연료극에 아연을 쓰는 아연-공기전지(Zn-Air Battery)에 페로브스카이트 나노섬유 촉매를 적용했을 때도 뛰어난 충·방전 안정성을 나타냈습니다.

김 교수는 "이 물질의 높은 전기화학적 촉매 성능은 금속-공기전지 상용화에 큰 역할을 할 것"이라며 "그동안 금속-공기전지 산업계에서 문제점으로 지적된 안정성을 확보할 단서도 제공했다"고 연구의의를 밝혔습니다.

이어 "아직 극복할 문제가 많아 상용화까지 시일이 걸릴 것"이라며 "최근 IBM, 도요타, 삼성전자 등 글로벌 기업이 금속-공기전지 개발에 나서면서 많은 투자가 이뤄지고 있어 기술적 난제를 빨리 해결하고 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 덧붙였습니다.

[MBN 뉴스센터 / mbnreporter01@mbn.co.kr]

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