촉매 합성과정 중 만들어진 계면이 효율 높여… Nano Energy 논문 게재

가벼우면서도 에너지 저장용량이 크고, 소재도 저렴해 전기차용으로 주목받는 배터리가 있다. 공기 중 산소를 이용해 충·방전하는 ‘금속-공기전지(Metal-Air Battery, MAB)’다. 이 배터리의 성능을 높여줄 새로운 촉매가 개발됐다.

UNIST 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀은 금속-공기전지에서 공기를 받아들이는 양극(공기극)에 적용해 충전과 방전의 성능을 모두 높이는 ‘복합촉매’를 개발했다. 페로브스카이트(Perovskite) 촉매 위에 금속촉매를 ‘원자 두께’로 아주 얇게 씌운 형태인데, 두 촉매 사이에 자연스럽게 형성된 경계면이 촉매의 성능과 안정성을 높인다.

▲ 복합촉매 제작 과정  © 특허뉴스

금속-공기전지는 음극에 있는 ‘금속’과 양극(공기극)에서 받아들이는 ‘산소’가 전자를 주고받는 산화환원반응을 하며 충·방전하는 이차전지다. 양극 물질로 공기를 이용하므로 가볍고, 전기 저장용량도 커서 차세대 전기차 배터리의 후보로 꼽힌다. 전체 성능은 공기극에서 일어나는 산소의 산화환원반응 정도가 결정하므로 이 반응을 촉진할 촉매가 필요하다. 그런데 기존 촉매인 백금(Pt) 등은 귀금속이라 비싸고 안정성도 낮다. 그 대안으로 성능이 뛰어나고 가격이 저렴한 ‘페로브스카이트 촉매’가 제시됐으나, 이 역시 충전이나 방전 중 한쪽 반응만 활성화하는 문제가 있었다.

김건태 교수팀은 이 문제를 충전과 방전 반응에서 각각 뛰어난 성능을 보이는 두 종류의 촉매를 결합한 복합촉매로 풀었다. 충전에서 성능이 뛰어난 ‘금속촉매(코발트 산화물)’를 방전에서 우수한 성능을 보이는 ‘망간 기반 페로브스카이트 촉매(LSM)’ 위에 아주 얇게 증착해 하나로 만든 것이다. 실험 결과, 증착 과정을 20번 정도 반복해 진행했을 때 두 촉매의 시너지 효과가 최적이 됐다.

▲ 작된 촉매의 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)에 대한 성능  © 특허뉴스

제1저자인 성아림 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “증착 과정에서 페로브스카이트 촉매 속 망간(Mn)이 스스로 확산해 코발트(Co)와 만나면서 ‘망간-코발트 화합물’이 생성됐다”며 “이 부분은 두 촉매의 경계면이 되면서 복합촉매의 안정성을 높이고 산소의 산화환원반응을 촉진해 성능도 향상시켰다”고 설명했다.

김건태 교수는 “값싸고 효율 높은 촉매를 금속-공기전지의 공기극에 적용하면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며, “이번 연구는 페로브스카이트 산화물에 원자층 증착을 접목해 차세대 공기극 소재 개발에 새로운 방법을 제시했다”고 연구의 의의를 밝혔다.

▲ 제작된 촉매를 아연-공기전지에 실제 적용한 결과  © 특허뉴스

이번 연구는 펜실베이니아대의 레이몬드 코테(Raymond J. Gorte) 교수, 존 보 (John M. Vohs) 교수, UNIST 연구지원본부 정후영 교수도 함께 참여했으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 나노에너지(Nano Energy)에 2월 3일자로 온라인 공개됐다.