국내 연구진이 차세대 배터리 성능을 획기적으로 높여줄 촉매를 개발했다.
울산과학기술원(UNIST) 김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀은 금속-공기전지(MAB)에서 공기를 받아들이는 양극(공기극)에 적용해 충전과 방전 성능을 모두 높이는 복합촉매를 개발했다고 2월10일 밝혔다.
페로브스카이트 촉매 위에 금속촉매를 원자 두께로 아주 얇게 씌운 형태로, 두 촉매 사이에 자연스럽게 형성된 경계면이 촉매 성능과 안정성을 높일 수 있다.
금속-공기전지는 음극에 있는 금속과 양극에서 받아들이는 산소가 전자를 주고받는 산화환원반응을 하며 충·방전하는 2차전지이며 양극물질로 공기를 이용해 가볍고 전기 저장용량도 커서 차세대 전기자동차(EV) 배터리 후보로 주목받고 있다.
전체 성능은 공기극에서 일어나는 산소의 산화환원반응 정도가 결정하므로 해당반응을 촉진할 촉매가 필요하나 기존 촉매인 백금(Pt) 등은 귀금속이라 고가이고 안정성이 낮은 문제가 있어 대안으로 성능이 뛰어나고 가격이 저렴한 페로브스카이트 촉매가 제시됐으나 충전이나 방전 중 한쪽 반응만 활성화하는 문제가 있다.
김건태 교수팀은 충전과 방전 반응에서 각각 뛰어난 성능을 보이는 두 종류의 촉매를 결합한 복합촉매로 해당 문제를 해결했다.
충전 성능이 뛰어난 금속촉매(코발트 산화물)를 방전에서 우수한 성능을 보이는 망간 기반 페로브스카이트 촉매(LSM) 위에 아주 얇게 증착해 하나로 만든 것으로 실험 결과 증착 과정을 20번 정도 반복했을 때 두 촉매의 시너지 효과가 최적 상태가 됐다.
증착 과정에서 페로브스카이트 촉매 속 망간이 스스로 확산해 코발트와 만나면서 화합물이 생성됐고 해당부분은 두 촉매의 경계면이 되면서 복합촉매의 안정성을 높이고 산소의 산화환원반응을 촉진해 성능도 향상된 것으로 확인됐다.
김건태 교수는 “저가에 효율 높은 촉매를 금속-공기전지 공기극에 적용하면 상용화가 한층 빨라질 것”이라면서 “페로브스카이트 산화물에 원자층 증착을 접목해 차세대 공기극 소재 개발에 새로운 방법을 제시한 연구”라고 강조했다.
연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 나노에너지(Nano Energy) 2월3일자 온라인에 공개됐다. (K)