김건태 UNIST 교수팀, 공기극용 고효율 비귀금속 촉매 개발

국내 연구진이 차세대 전지 기술로 꼽히는 '금속-공기전지'의 상용화를 촉진시킬 효율적인 촉매기술을 개발했다. 

UNIST(총장 정무영)는 김건태 에너지·화학공학부 교수팀이 같은 학부 조재필 교수팀과 함께 새로운 형태의 금속-공기전지(Metal-Air Battery)용 공기극 촉매를 개발했다고 23일 밝혔다.

금속-공기전지는 금속으로 이뤄진 '연료극'과 촉매가 들어 있는 '공기극'으로 구성된다. 공기극에서 받아들인 산소를 연료극에 있는 금속과 반응시키면서 전기를 발생시킨다.

이와 반대의 반응을 일으키면 충전이 가능하며, 산화된 금속에서 산소를 분리하면 배터리로도 활용 가능하다. 구조가 간단하고, 저렴한 소재 사용, 대규모 전기용량 등의 장점이 있어 '고용량 배터리'로 활용성도 높다.

그동안 금속-공기전지의 공기극에는 백금(Pt)이나 산화이리듐(IrO₂) 같은 귀금속 촉매가 사용됐다. 이러한 귀금속 촉매는 공기극에 필요한 화학반응에서 우수한 성능을 보이지만 비싸고 희소하며 내구성이 약해 대규모로 응용하기 어려웠다.

김건태 교수팀은 전기 전도도가 높고 촉매 활성이 좋은 ‘양이온 정렬형 더블 페로브스카이트(cation ordered double perovskite)’를 이용한 새로운 촉매를 개발해 이 문제를 해결했다.

개발된 촉매는 코발트(Co)와 철(Fe)을 적절한 비율로 구성한 페로브스카이트 물질을 만들고, 이 물질의 효율을 극대화할 수 있는 나노섬유 구조로 제작됐다.

이 촉매는 특히 충전에 필요한 화학반응(산소발생반응)에서 우수한 성능을 보였다.

0.3V의 과전압에서 이 촉매의 산소발생반응 효율은 산화이리듐(IrO2)보다 약 9배 더 높았다. 또 연료극에 아연을 쓰는 아연-공기전지(Zn-Air Battery)에 페로브스카이트 나노섬유 촉매를 적용했을 때에도 우수한 충·방전 안정성을 나타냈다.

김건태 교수는 "금속-공기전지에는 아직 극복할 문제들이 많아 상용화까지 다소 시일이 걸릴 것"이라면서도 "최근 IBM, 도요타, 삼성전자 등 다수의 글로벌 기업들이 금속-공기전지 개발에 많은 투자를 하고 있어 곧 기술적 난제를 해결하고 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업을 통해 이뤄졌으며, 연구결과는 'ACS Nano'지에 지난 20일자 온라인 속보로 게재됐다.  

나노섬유 페로브스카이트 촉매 구조와 작동 원리.<사진=UNIST 제공>
나노섬유 페로브스카이트 촉매 구조와 작동 원리.<사진=UNIST 제공>
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