아연-공기전지용 신 촉매 개발

리튬 이온 vs. 아연-공기 전지비교.

아주경제 이한선 기자= 미래창조과학부는 조재필 UNIST 교수팀이 전기자동차용 포스트 리튬이온전지로 주목받고 있는 아연-공기전지의 핵심 구성요소인 촉매를 상온에서 대량생산할 수 있는 원천기술 개발에 성공했다고 3일 밝혔다.

연구성과는 네이처 자매지 네이처 커뮤니케이션 25일자에 게재됐다.

이번 연구는 기존의 백금 촉매보다 촉매활성도와 내구성이 우수하고 고온의 열처리 과정을 거치지 않고도 상온에서 대량합성이 가능한 저가의 유기물기반 탄소나노튜브 촉매를 개발한 것으로 생산 공정이 쉬우면서도 성능이 우수해 차세대 전지로 각광받는 아연-공기전지의 상용화에 도움이 될 것으로 전망된다.

아연-공기전지는 음극으로 아연, 양극으로 공기 중의 산소를 이용하는 전지로 리튬이온전지를 대체할 차세대전지로 주목받고 있다.

촉매는 아연-공기전지에서 산소를 환원시키는 역할을 하고 전지의 성능, 가격을 획기적으로 변화시킬 수 있는 중요한 요소다.

현재 사용되는 백금촉매는 귀금속으로 생산단가가 비싸고 사용시간이 늘면서 수명이 급격히 저하되는 단점이 있고 이를 해결하기 위해 연구되어 왔던 철-질소-탄소(Fe-N-C)로 이루어진 촉매들 역시 800°C 이상의 고온에서 합성해야하는 문제가 있었다.

이번에 개발된 신촉매 합성법은 아연-공기전지의 출력과 용량을 동시에 획기적으로 높이는 원천기술로 연구팀은 사람 몸속의 단백질 구성성분인 철포르피린이 촉매작용을 해 산소의 이온화반응을 촉진하는 것에서 영감을 얻어 유사한 구조를 가진 철프탈로시아닌을 이용해 유기물기반 탄소나노튜브 촉매를 개발했다.

철포르피린은 혈색소.시토크롬.엽록소 등의 색소성분을 구성하는 화합물이고 철프탈로시아닌은 철포르피린과 유사구조를 갖는 푸른색 염료다.

아연-공기전지에 이 촉매를 적용한 결과 전지의 수명이 기존의 백금 촉매대비 50%이상 개선되었고 시에 많은 전류를 흘릴 때 전압이 급격히 떨어지는 현상을 40% 이상 줄일 수 있어 고출력 전지 제조도 가능한 것으로 나타났다.

개발이 진행되고 있는 철-질소-탄소(Fe-N-C) 촉매대비 공정이 단순해 30% 이상의 원가 절감도 가져올 수 있다.

조재필 교수는 “금속-공기전지 개발을 위해 전 세계적으로 경쟁이 불붙은 가운데 가격 및 안전성 측면에서 가장 우수한 촉매기술을 선점했다는 점에서 큰 의의가 있다”며 “고온 열처리 공정이 필요 없는 이번 촉매개발은 아연-공기전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있는 획기적인 결과”라고 밝혔다.

조재필 교수 연구팀은 아연-공기전지 연구 분야에서 세계적인 선도 연구자로 평가받고 있다.