차세대 배터리 효율, ‘금속토핑’으로 높였다

2019.05.29 12:51
새로운 금속-공기전지 촉매를 개발한 연구팀이 연구실에 모였다. 왼쪽부터 자비드 무하마드 UNIST 에너지및화학공학과 연구원, 김창민 연구원, 김정원 연구원, 권오훈 연구원, 김건태 교수. 사진제공 UNIST
새로운 금속-공기전지 촉매를 개발한 연구팀이 연구실에 모였다. 왼쪽부터 자비드 무하마드 UNIST 에너지및화학공학과 연구원, 김창민 연구원, 김정원 연구원, 권오훈 연구원, 김건태 교수. 사진제공 UNIST

현재 전기차와 스마트폰 등을 평정한 ‘리튬이온 배터리’를 넘어서는 차세대 고용량 배터리 연구가 활발한 가운데, 국내연구팀이 유력한 차세대 배터리 후보로 꼽히는 ‘금속-공기전지’ 배터리의 안정성과 효율성을 높일 소재를 개발하는 데 성공했다. 특이하게도 기존 개발된 촉매 소재에 ‘금속 토핑’을 올려 성능을 향상시켰다.


울산과학기술원(UNIST)은 김건태, 백종범 에너지및화학공학부 교수와 김정원 연구원팀이 금속-공기전지의 성능을 높일 새로운 금속 복합 촉매를 개발하는 데 성공했다고 29일 밝혔다. 


배터리는 전자를 내놓거나 받아들이는 두 개의 ‘극’을 갖고 있다. 방전시 전자를 도선으로 방출해 흐르게 하는 쪽이 음극, 이를 받아들이는 쪽이 양극이다. 전류는 양극에서 음극으로 흐른다. 배터리의 종류는 두 개의 극을 어떤 소재로 만드느냐에 따라 달라지는데, 리튬이온 배터리에서는 양극에 리튬이, 음극에는 주로 흑연이 쓰인다. 


금속-공기전지는 금속으로 만든 ‘연료극’과 산소를 쓰는 ‘공기극’을 각각 음극과 양극 대신 쓰는 전지다. 같은 질량의 연료를 썼을 때 에너지를 내는 정도를 나타내는 ‘에너지밀도’가 이론상 휘발유와 맞먹는 높은 효율을 자랑한다. 하지만 충방전을 할 때에 공기극의 반응 속도를 높이기 위해 꼭 필요한 촉매가 백금이나 산화이리듐 등 귀금속으로 돼 있어 가격이 비싸고 내구성이 떨어진다는 단점이 있었다. 


김 교수팀은 귀금속 대신 상대적으로 저렴한 다른 금속을 묶어서 복합 재료로 활용하는 방법으로 이 문제를 해결했다. 먼저 백종범 UNIST 교수팀의  ‘철을 포함한 평면 형태의 유기고분자(Fe@C2N)’를 준비했다. 이 소재는 평평한 소재인 ‘질소 함유 그래핀(C2N)’에 C2N으로 감싼 철을 붙인 구조다. C2N이 피자 도우라면, 그 위에 밀가루를 입힌 철 토핑을 올린 피자가 Fe@C2N인 셈이다.

 

이 촉매는 방전을 할 때 효율이 백금보다 높지만, 충전할 때 효율이 낮고 안정성이 떨어진다는 게 단점이었다. 김 교수팀은 여기에 코발트 산화물을 역시 토핑처럼 추가로 결합시켜 성능을 개선시키는 데 성공했다. 연구 결과 코발트 산화물 토핑이 더해진 촉매는 충전시 효율을 높이고 촉매의 안정성을 향상시키며 방전시 효율도 일부 높이는 것으로 확인됐다.

 

연구팀이 개발한 금속 복합촉매를 투과전자현미경으로 촬영했다. 마치 피자 도우처럼, 얇은 평면 형태의 질소 함유 그래핀(C2N)을 준비한 뒤 위에 C2N으로 감싼 철을 토핑처럼 올리고, 산화 코발트 역시 토핑으로 올렸다. C에서 붉은 동그라미로 표시한 부분이 산화코발트, 파란 동그라미 표시가 C2N으로 감싼 철이다. 사진제공 UNIST
연구팀이 개발한 금속 복합촉매를 투과전자현미경으로 촬영했다. 마치 피자 도우처럼, 얇은 평면 형태의 질소 함유 그래핀(C2N)을 준비한 뒤 위에 C2N으로 감싼 철을 토핑처럼 올리고, 산화 코발트 역시 토핑으로 올렸다. C에서 붉은 동그라미로 표시한 부분이 산화코발트, 파란 동그라미 표시가 C2N으로 감싼 철이다. 사진제공 UNIST

김 교수는 “차세대 공기극 신소재를 개발하고 안정성 문제도 해결할 단서를 찾았다”며 “금속-공기전지의 공기극에 값싼 재료로 만든 고효율 촉매를 적용하면 상용화가 한층 빨라질 것”이라고 말했다.


연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 나노’ 28일자에 발표됐다.
 

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