심욱 교수 연구팀, 아연공기전지 및 수전해를 포함한 다기능성 산화물 전극 개발

㈜닐사이언스 대표인 심욱 교수(前 전남대학교, 現 한국에너지공과대학교) 연구팀은 아연공기전지 및 수전해를 포함한 다기능성 산화물 전극소재를 개발하고 최근 관련 연구성과를 발표했다.

심교수 연구팀은 리튬이온 이차전지의 대안 중 하나로 각광받는 아연공기전지의 양극 소재와 친환경 수소, 산소 생산에 사용되는 수전해 시스템의 음극, 양극 소재에 동시 사용 가능한 다기능성 CoMn2O4 전극을 개발했다고 지난 11월 25일 밝혔다.

현재 많이 사용되는 리튬이온 이차전지의 낮은 에너지밀도, 높은 가격, 발화 위험성 등의 단점 요소를 극복하기 위한 대안 중 하나로 에너지밀도가 높고 비교적 저렴하며 발화 위험성이 적은 아연공기전지가 기대돼 왔다. 하지만 상용화에 있어서 충·방전 효율이 낮고, 수명이 짧다는 한계가 있어 다양한 전극 연구가 요구되고 있다.

최근 수소 산업의 성장으로 각광받고 있는 친환경 수전해 기술에 들어가는 기존 귀금속 촉매의 높은 비용과 낮은 지속 가능성을 원인으로 다양한 전이금속 기반 전극 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 이러한 에너지 전환 및 저장용 전극의 산업화 가능성을 높이기 위해서는 제작 비용을 절감할 수 있는 단일공정의 다기능성 전극 제작이 절실한 상황이다.

이에 연구팀은 전이금속 전구체와 요소, 탄소 섬유를 수열합성을 이용해 동시에 반응시켜 탄소 섬유위에 CoMn2O4를 곧바로 성장시킬 수 있었다. 손쉬운 방식으로 합성된 촉매는 표면적이 넓은 다각형 형태로서 폴리머 바인더를 사용하지 않아 전도성이 우수할 뿐 아니라 플렉서블하여 웨어러블 디바이스에 적용 가능할 것으로 평가됐다.

연구팀은 다기능성 성능 평가를 위해 제작된 전극을 수전해 시스템에 적용시킨 결과 낮은 요구 전압(1.6 V @ 10 mA/cm2)과 높은 안정성(>20 h)을 보임을 확인해 아연공기전지 시스템에 적용시킨 결과 높은 비용량(specific capacity; 641.6 mAh gzn-1)과 높은 전력 밀도(power density; 135 mW cm-2) 그리고 높은 안정성(50 h @ 10 mA cm-2)를 증명했다.

심욱 교수는 “이번에 개발한 기술은 기존의 단기능성 촉매 연구보다 상용성이 뛰어난 다기능성 촉매 연구의 중요성을 보여준 것”이라며 “앞으로 다가오는 에너지 문제에 실질적인 기여가 가능한 연구를 하고자 한다.”고 포부를 밝혔다.

해당 연구는 심욱 교수의 연구를 바탕으로 Janani 박사가 1저자로, Surendran 박사, 최현욱 석사가 공저자로 참여했다. 재료 과학 분야 저명 국제 학술지인 ‘Small’에 17호 표지 논문으로 지난 2021년 11월 25일 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리 등의 지원을 받아 수행됐다.