차세대 전기차 배터리 후보로 ‘금속-공기전지(Metal-Air Battery)’가 꼽힌다. 이 전지의 이론적 에너지 밀도가 휘발유와 유사해 고용량 배터리를 구현할 수 있기 때문이다. 실제로 활용하려면 안정성과 효율성을 동시에 만족시켜야 하는데, 최근 두 조건을 충족하는 새로운 복합촉매가 개발됐다.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수팀은 금속–공기전지의 성능을 높일 새로운 ‘복합촉매(NP Co₃O₄/Fe@C₂N)’를 개발했다. 서로 다른 특성을 가진 두 금속(코발트, 철)을 안정적으로 묶어서 시너지(Synergy)효과를 얻었는데, 이 현상의 원리까지 분석해 향후 다양한 분야로 활용할 가능성도 제시했다.
금속-공기전지는 크게 금속으로 만들어진 ‘연료극’과 산소를 활용하는 ‘공기극’으로 이뤄진다. 전기를 사용하는 방전 시에는 금속에서 산화된 전자가 공기극으로 이동하며 전기를 발생시키고, 반대로 충전 시에는 공기극에서 금속으로 전자를 이동시키며 전기를 저장한다. 금속-공기전지의 상용화에 가장 중요한 부분은 충·방전 시 공기극에서 반응이 원활하게 진행되도록 돕는 촉매다. 주로 백금(Pt)이나 산화이리듐(IrO₂)의 귀금속 계열의 촉매가 성능이 뛰어나지만 가격이 비싸고 내구성이 낮아 대규모 응용이 어려웠다.
제작된 복합촉매의 투과전자현미경 이미지
김건태 교수팀은 귀금속 촉매의 문제를 해결하기 위해 ‘코발트 산화물(Co₃O₄)’과 ‘철을 포함한 2차원 유기고분자 (Fe@C₂N)’로 복합촉매를 만들었다. Fe@C₂N 촉매는 백종범 UNIST 교수팀이 개발한 것으로 방전 반응(ORR)에서 뛰어난 효율을 보인다. 반면 충전 반응에서는 효율(OER)이 낮았는데, 여기에 코발트 산화물 금속을 더해 충·방전에서 모두 뛰어난 효율을 보이도록 만들었다.
연구진은 수열합성(Hydrothermal synthesis)을 통해 유기고분자(C₂N)이 이루는 그물망 위에 코발트 산화물(Co₃O₄)이 올라간 형태의 복합촉매를 만들었다. 그 결과 질소(N) 원소와 코발트 산화물 사이에 결합이 형성돼 촉매의 안정성이 높아졌다. 또 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER) 양쪽에서 효율이 높아졌다.
제1저자인 김정원 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “코발트 산화물과 유기고분자 C₂N에서 시너지 효과가 나타나 산소발생반응에서도 우수한 효율을 나타냈다”며 “이번 연구를 활용하면 앞으로 더 효율적인 금속 산화물–유기고분자 촉매를 설계할 수 있을 것”이라고 말했다.
김건태 교수는 “금속-공기전지의 공기극로 값싼 재료로 만든 고효율 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며 “차세대 공기극 신소재 개발과 안정성 문제를 동시에 해결할 단서도 제공했다”고 연구 의의를 밝혔다.
이번 연구는 UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수도 함께 참여했다. 연구 결과는 재료과학 분야에서 최고 권위를 자랑하는 ACS Nano 5월 28일(수)자로 출판됐다.
* 논문명: Synergistic Coupling Derived Cobalt Oxide with Nitrogenated Holey Two-Dimensional Matrix as an Efficient Bifunctional Catalyst for Metal-Air Batteries
