탄소층 제거해 효율 높인 비백금 촉매 개발

이재영 교수팀, 리튬-공기 배터리 상용화 기여 전망

이재영 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 탄소층을 제거해 효율을 높인 비백금 촉매를 개발했다.

광주과학기술원(GIST)는 이재영 환경공학부 교수(교신저자·에틀(Ertl) 촉매 연구센터)가 주도하고 정범균 박사과정생(제1저자)이 포스트 배터리 중 하나로 주목받는 리튬-공기 배터리에 사용될 새로운 비백금(Pt) 촉매를 간단한 기계적 분쇄법을 이용해 개발했다고 22일 밝혔다.

이 촉매는 현재 가장 우수한 촉매로 평가되는 고가의 백금 촉매를 대체하면서도 고효율의 산소 환원 반응이 가능해 스마트 그리드나 전기자동차에 활용되는 리튬-공기 배터리의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

이번 연구는 지스트 차세대에너지연구소(RISE)의 에너지저장 연구 기반 구축사업과 한국산업기술진흥원(KIAT)이 추진하는 국제공동기술개발사업의 지원으로 수행돼 에너지화학 분야 세계적인 학술지인 켐서스켐 5월호에 게재됐다.

휴대전화에 사용되고 있는 리튬-이온 배터리에 이은 차세대 에너지 전환․저장 시스템으로 꼽히는 리튬-공기 배터리가 가장 시급히 극복해야 할 과제는 산소 환원 반응의 속도를 높이는 것이다.
산소 환원 반응(ORR)은 산소가 환원돼 물로 되는 반응으로 화학에너지가 전기에너지로 변환될 때 필수적인 핵심 과정이고 포스트 배터리의 상용화 및 성능 개선을 위해 산소 환원 반응의 효율을 최대한 높여야 한다.

현재 산소 환원 반응을 가속하기 위한 촉매로 가장 효과적인 물질인 백금은 원료 가격이 비싼 것이 단점이다.

리튬-공기 배터리를 널리 보급하기 위해서는 백금을 대체할 수 있는 저렴한 비백금 촉매 개발이 필요하다.

연구팀은 고전압을 이용해 점성이 있는 고분자 용액을 길게 늘려 1㎛ 보다 굵기가 작은 초극세섬유를 제조하는 전기방사와 고온 열처리를 통해 철-질소-탄소(Fe-Nx-C)로 이뤄진 0.1㎛ 굵기의 탄소섬유를 제조하고 산소환원촉매 성능 향상을 위해 이를 지름 2㎜ 크기의 지르코늄 산화물 구슬과 함께 분쇄기에 넣어 탄소층을 벗겨내는 방법을 시도했다.

고속 회전에 의한 기계적 분쇄법을 이용해 탄소층을 벗겨낸 철-탄소섬유를 촉매로 활용한 결과 기존 백금 촉매 대비 73% 수준의 산소 환원 반응 효율을 나타냈다.

이는 기존의 비백금 촉매의 효율보다 성능이 1.7배 개선된 것이다.

이재영 교수는 “이번 연구 결과는 산소 환원 촉매 물질이 주로 금속 입자의 주변에 분포한다는 점을 밝히고 철-질소-탄소 계열의 촉매들의 형성 과정을 이해하기 위한 실마리를 제공했다는 점에서 의의가 있다”며 “향후 전기자동차와 신재생에너지와 연계된 중대형 에너지 저장 시스템 상용화에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

연구팀은 기계적 분쇄법(볼밀 공정)을 활용해 철 함유 탄소 나노섬유의 탄소 구조 내 철 입자를 주 표면으로 효과적으로 노출시켜 향상된 촉매 활성 성능을 달성했다. 붉은색 그래프는 분쇄된 Fe-N-CNFs 그래프가 아래로 내려갈수록 우수한 산소환원성능을 의미하고 녹색 그래프는 분쇄되기 이전의 Fe-N-CNFs