산소와 아연을 전극재로 사용한 ‘고효율 수계 아연-공기 전지’가 개발됐다. 현재 각종 배터리에 활용 중인 리튬-이온 전지를 대체할 수 있는 친환경·낮은 가격·고성능 차세대 전지의 실용화 가능성을 높였다.
울산대학교 첨단소재공학부 정지원 교수 연구팀은 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김일두, 정우철 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 용출 현상을 통해 고성능, 저가격 페로브스카이트 산화물을 개발해 수계 아연-이온 전지에 활용했다고 11일 밝혔다.
기존 아연-공기 전지의 방전과 충전은 효율 향상을 위해 백금, 루테늄, 이리듐 산화물 등 비싼 귀금속 촉매를 활용할 수밖에 없어 높은 가격 및 낮은 내구성의 단점으로 활용이 크게 제한됐다.
이번 연구는 기존 귀금속 기반 촉매들을 대체하고자 낮은 가격의 금속 원소들이 포함된 고내구성 페로브스카이트 산화물 지지체를 성공적으로 제조한 것으로, 일반적인 금속 촉매 코팅법과는 달리 용출법을 활용했다. 일반적으로 활용되는 금속 촉매 코팅법은 아연-공기 전지의 반복적인 충·방전 구동에 따라 지지체로부터 쉽게 탈착돼 사용 시간이 지날수록 내구성과 촉매 효율이 급격히 저하되는 문제를 가지고 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 공동 연구팀은 추가적인 금속의 첨가 없이 페로브스카이트 산화물 내에 있는 금속 원소들을 용출시켜 표면에 단단하게 결착시켰으며, 이를 통해 아연-공기 전지의 충·방전 효율성 및 내구성을 높이는 금속 나노입자의 균일 분포가 가능하다는 것을 밝혔다.
개발된 페로브스카이트 산화물 전극재는 아연-공기 전지 내에서 1500시간이 넘는 반복 구동에도 촉매 효율이 유지되는 초고내구성을 보였다. 이는 현재까지 개발된 페로브스카이트 기반 전극재 중 최고 내구성을 가진 것이다.
정 교수는 “이번 연구로 개발한 초고내구성 페로브스카이트 산화물 기반 전극재는 아연-공기 전지 실용화에 크게 기여할 것”이라며 “후속 연구를 통해 저렴하면서 대면적화를 위한 기술적 보완과 양산화에 집중하겠다”고 전했다.
이번 연구 결과는 환경 공학 분야 최상위 학술지인 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 환경 분야’에 게재됐다. 관련 특허 출원도 완료했다. 울산대 정지원 교수 연구팀, KAIST 신소재공학과 김일두, 정우철 교수 연구팀이 참여했다. 정우철 교수 연구팀의 박사과정 김상우 씨가 주도한 이 연구는 한국연구재단 기본연구사업과 수소에너지혁신기술개발사업, 그리고 삼성전자 미래기술육성센터사업의 지원을 받아 수행됐다.
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