KIST(한국과학기술연구원·원장 윤석진)는 이중기 에너지저장연구단 박사 연구팀이 이차전지 분야 새로운 영역으로 태양에너지를 활용한 아연공기전지 성능 향상 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

아연공기전지는 대기 중 산소와 아연의 화학반응으로 전기를 생산한다. 이론상 높은 에너지 밀도, 낮은 폭발 위험성, 오염물질 배출 없는 친환경성, 저렴한 소재 비용 등 차세대 이차전지에 요구되는 특성들을 갖추고 있다. 다만 특성상 느린 촉매반응, 낮은 충·방전효율이라는 한계가 있었다.

연구진은 한계를 극복하기 위해 전지에 반도체 구조의 광활성 복합 촉매를 활용했다. 광활성 복합촉매는 빛에너지를 흡수해 화학반응을 촉진시키는 화합물이다. 연구진은 전자 이동 발생이라는 반도체 계면 특성을 이용해 산소 생성-환원 속도를 높이고자 했다. 이를 위해 n형 반도체(흑연질의 질화탄소)와 p형 반도체(구리가 도핑된 ZIF-67)의 이종접합 밴드갭구조를 가진 양극소재를 합성했다. 결과적으로 기존 아연공기전지 촉매보다 전력 발생 속도를 크게 향상시켰다.

상용화 가능성 확인을 위해 빛이 없는 실제 환경과 같은 조건의 프로토타입 배터리 실험 역시 진행됐다. 빛이 없을  때는 기존 아연공기전지의 최고성능과 유사한 731.9mAhgZn-1의 에너지 밀도를 보였다. 태양광이 있을 때는 약 7%가량 증가된 781.7mAhgZn-1의 에너지 밀도와 우수한 사이클 성능(334시간, 1000사이클)을 보였다. 기존 알려진 촉매들 중 가장 우수한 성능이다.

이중기 박사는 "태양에너지의 활용은 이차전지의 전기화학적 성능향상은 물론 지속가능한 사회 실현에서도 중요한 부분"이라며 "이번 광활성 복합촉매 제조기술이 리튬이온배터리의 대안으로 부상하고 있는 금속공기전지의 난제 해결뿐만 아니라 반도체 물리와 전기화학의 새로운 융합 기술 발전을 자극하는 촉매가 되기를 바란다"고 말했다.

이번 연구는 KIST 주요사업과 한국연구재단 브레인풀(Bain pool)사업 등을 통해 수행됐다. 연구결과는 국제 저널인 'Applied Catalysis B-Environmental' 최신 호에 게재됐다.