화재 걱정없는 고효율 아연-공기 배터리 나온다

KAIST 등 국내 공동연구팀, 관련 연구결과 내놓아

[아이뉴스24 정종오 기자] 화재 걱정없는 차세대 배터리가 나올 것으로 기대된다.

‘제2의 반도체’로 불리는 리튬이온 전지(LIB)는 가장 높은 시장 점유율로 에너지 저장 장치 시장을 주도하고 있다. 문제는 화재에 취약하다는 약점이 있다는 점이다.

국내 연구팀이 화재로부터 안전하고 값이 싼 아연 금속과 공기 중의 산소로 구동되는 고에너지 밀도를 가진 고출력 차세대 전지를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 연세대 한병찬 교수 연구팀, 경북대 최상일 교수 연구팀, 성균관대 정형모 교수 연구팀과 공동연구를 통해 인공지능(AI) 기반 이종기능 전기화학 촉매를 개발과 촉매 활성 메커니즘을 규명하고, 고효율 아연-공기 전지를 개발했다고 4일 발표했다.

금속-유기 골격체에서 기인한 전이금속산화물 기반의 이종 접합(CoO-Mn3O4 Heterostructure) 촉매의 계면 구조와 이종 접합 촉매 기반 아연-공기 이차전지 충‧방전 과정 모식도. [사진=KAIST]

이종기능이란 충전(Charging) 동안에서의 산소 발생(OER) 기능과 방전(Discharging) 동안의 산소 환원 (ORR) 기능이 가능한 것을 말한다.

최근 활발하게 연구가 진행되고 있는 아연-공기 전지 배터리의 음극에 사용되는 아연 금속과 공기극에 필요한 공기는 자연에 풍부하다는 특성 때문에 소재 비용이 적다는 장점이 있다.

고효율 아연-공기 전지를 구현하기 위해서는 충‧방전할 때 공기극에서 일어나는 산소 환원, 산소 발생 반응이 잘 일어나게 하는 이종기능 촉매의 설계가 필수적이다.

기존에 알려진 상용 촉매는 백금, 이리듐 등 귀금속을 기반으로 하고 있어 가격 경쟁력이 있으면서도 높은 활성도를 지닌 촉매 물질의 개발이 필요하다.

강정구 교수 공동연구팀은 아연 금속-공기 전지에 쓰일 값이 싼 전이금속산화물 이종접합 촉매 물질을 개발했다. 해당 촉매 물질은 아연-공기 전지에 사용할 때 귀금속 기반 촉매보다 높은 활성도와 안정성을 나타냈다.

연구팀은 인공지능을 활용해 계면에서의 원자구조와 촉매 활성 메커니즘을 정확히 규명했다.

연구팀은 개발된 이종기능 촉매를 활용해 아연-공기 완전셀을 구성해 고성능 에너지 저장 소자를 구현했다. 구현된 아연-공기 전지는 기존 상용화된 리튬이온 배터리를 뛰어넘는 에너지 밀도를 가짐을 확인했다.

값싼 원료 소재와 안전성으로 앞으로 전기 자동차, 웨어러블 전자기기 등에 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

강 교수는 "이번 연구로 개발된 전이금속 산화물 기반의 차세대 촉매 소재는 가격 경쟁력과 더불어 높은 촉매 활성도로 인해 아연-금속 공기 전지의 상용화에 이바지할 수 있다ˮ며 "중‧소형 전력원뿐 아니라 전기 자동차까지 활용 범위를 확대해 적용될 수 있을 것이다ˮ고 말했다.

KAIST 신소재공학과 최종휘 박사과정이 주도한 이번 연구 결과논문명: Zeolitic imidazolate framework-derived bifunctional CoO-Mn3O4 heterostructure cathode enhancing oxygen reduction/evolution via dynamic O-vacancy formation and healing for high-performance Zn-air batteries)는 에너지 저장 소재 분야의 국제 학술지 `에너지 스토리지 머터리얼스(Energy Storage Materials)'에 지난 1월 14일자로 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)