UNIST 김건태 교수팀

국내 연구진이 꿈의 고용량 배터리라 불리는 ‘금속-공기전지’ 상용화를 가속 시킬 수 있는 촉매를 개발해 주목 받고 있다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 정무영)은 지난 10월 23일 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀과 조재필 교수팀이 공동으로 새로운 형태의 ‘금속-공기전지(Metal-Air Battery)용 공기극 촉매’를 개발했다고 밝혔다.

리튬이온전지 후계자를 둘러싼 차세대 전지 개발이 활발한 가운데 1㎏당 에너지 밀도가 휘발유에 가까운 ‘리튬-공기전지’는 IBM 등 글로벌 기업이 투자하면서 가능성을 주목받고 있다. 이번 연구결과는 이 전지를 포함한 ‘금속-공기전지’ 전반의 상용화를 가속화시킬 ‘값 싸고 효율적인 촉매’ 기술을 개발한 것으로 리튬-공기전지를 비롯한 금속-공기전지의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

UNIST에 따르면 이 촉매는 페로브스카이트 물질을 나노섬유 형태로 제작한 이 촉매는 기존 귀금속 촉매만큼의 성능을 보이면서도 저렴하고 전기화학적 안정성도 뛰어나다.

연구팀이 개발한 이 촉매는 전기 전도도가 높고 촉매 활성이 좋은 ‘양이온 정렬형 더블 페로브스카이트’를 이용해 개발됐다. 코발트(Co)와 철(Fe)을 적절한 비율로 도입해 포로브스카이트 물질을 만들고 이 물질의 효율을 극대화할 수 있는 나노섬유 구조로 만들었다.

금속-공기전지의 구조는 금속으로 이뤄진 ‘연료극’과 촉매가 들어 있는 ‘공기극’으로 구성된다. 공기극에서 받아들인 산소를 연료극에 있는 금속과 반응시키면서 전기를 발생시키는 일종의 연료전지로 이 반응을 반대로 적용시킬 경우 충전도 가능하며 산화된 금속에서 산소를 분리해 배터리로도 활용할 수 있다.

특히 연구팀의 실험 결과 페로브스카이트 나노섬유 촉매는 충전에 필요한 화학반응에서 우수한 성능을 보였으며, 0.3V의 과전압에서 이 촉매의 산소발생 반응 효율은 산화 이리듐보다 약 9배 높았다고 밝혔다.

연구를 주관한 김건태 교수는 “이 물질의 높은 전기화학적 촉매 성능은 금속-공기전지의 상용화에 큰 역할을 할 것으로 판단된다”며 “그간 금속-공기전지 산업계에는 문제점으로 지적된 안정성을 확보할 단서도 제공했다”며 연구의의를 밝혔다. 아울러 그는 “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”이라고 말했다.

한편 이번 연구결과는 재료과학분야에서 최고 권위지인 ACS Nano 온라인 속보로 게재됐으며 연구 지원은 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업을 통해 이뤄졌다.