'금속-공기전지'용 공기극 촉매…저렴하면서 안정성도 뛰어나

나노섬유 페로브스카이트 촉매의 구조와 작동원리 모식도. [UNIST 제공]

[공감신문] 울산과학기술원(UNIST)이 차세대 전지로 주목받는 '금속-공기전지' 상용화에 도움될 공기극 촉매를 개발했다. 

UNIST 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀은 같은 학부 조재필 교수팀과 함께 고용량 배터리로 주목받고 있는 차세대 금속-공기전지(Metal-Air Battery)용 공기극 촉매를 개발했다고 23일 밝혔다. 

연구팀이 페로브스카이트 물질을 나노섬유 형태로 만든 이 촉매는 기존 귀금속 촉매만큼의 성능을 보이면서도 저렴하고 전기화학적 안정성도 뛰어나다. 

페로브스카이트는 양이온과 음이온, 할로겐화물이 독특한 결정 구조를 가진 물질이다. 이 물질은 또한 금속-공기전지 뿐 아니라 1kg당 에너지 밀도 역시 휘발유에 가까운 리튬-공기전지의 상용화에도 기여할 수 있을 것으로 보인다. 이미 글로벌 기업들도 많이 투자에 나서고 있는 중이다. 

금속-공기전지는 금속으로 이뤄진 '연료극'과, 촉매가 들어있는 '공기극'으로 구성된다. 이 전지는 공기극에서 받아들인 산소를 연료극에 있는 금속과 반응시키면서(산화) 전기를 발생시키는(방전) 일종의 연료전지다. 이 반응을 거꾸로 일으킬 경우 충전도 가능하다. 산화된 금속에서 산소를 분리하면 배터리로도 활용할 수 있다. 

금속-공기전지는 그 구조가 간단하고 소재가 저렴한데다 전기용량도 크기 때문에 차세대 고용량 배터리로 주목받고 있다. 

다만, 그간은 공기극에 사용되는 촉매로 백금(Pt), 산화이리듐(IrO2)과 같은 귀금속이 사용됐다. 이들은 공기극에 필요한 화학반응에서 우수한 성능을 지녔으나, 가격이 비싸고 희소성은 높은데다 내구성은 약해 대규모로 응용하기는 어려웠다. 

금속-공기전지 공기극에 사용할 수 있는 고효율 비귀금속 촉매를 개발한 UNIST 김건태 교수(가운데)와 권오훈 연구원(왼쪽), 김선아 연구원(오른쪽) [UNIST 제공]

이번에 연구팀이 개발한 새로운 촉매는 전기 전도도가 높고 촉매 활성이 좋은 '양이온 정렬형 더블 페로브스카이트(cation ordered double perovskite)'을 이용해 개발됐다. 코발트(Co)와 철(Fe)을 적절한 비율로 도입해 포로브스카이트 물질을 만들고, 이 물질의 효율을 극대화할 수 있는 나노섬유(nanofiber) 구조로 만든 것이다. 

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

연구팀이 개발한 페로브스카이트 나노섬유 촉매는 특히 충전에 필요한 화학반응(산소 발생 반응) 면에서 우수한 성능을 보였다. 

0.3V의 과전압에서 이 촉매의 산소발생 반응 효율은 산화 이리듐(IrO2)보다 약 9배 더 높았다. 또한 연료극에 아연을 쓰는 아연-공기전지(Zn-Air Battery)에 페로브스카이트 나노섬유 촉매를 적용했을 때도 뛰어난 충·방전 안정성을 나타냈다. 

아연-공기전지 모식도. [UNIST 제공]

김건태 교수는 "이 물질의 높은 전기화학적 촉매 성능은 금속-공기전지 상용화에 큰 역할을 할 것"이라 기대하며 "그동안 금속-공기전지 산업계에서 문제점으로 지적된 안정성을 확보할 단서도 제공했다"고 연구의 의의를 밝혔다. 

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

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