[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

금속공기전지는 리튬이온전지를 대체할 것으로 주목받는 차세대 고용량 이차전지다. 현재 충전과 방전이 가능한 금속공기전지는 아직 연구단계이지만, 이 기술이 상용화될 경우 기존 리튬이온전지에 비해 전기자동차의 주행 거리를 2배 이상 늘릴 수 있다.

금속공기전지는 양극에서 산소 환원 반응(ORR)과 산소 발생 반응(OER)이 일어나면서 작동한다. 이 과정에는 전기화학적 촉매가 필요한데, ‘페로브스카이트 산화물(ABO3)’도 효율을 높이는 촉매로 많이 연구되고 있다.

페로브스카이트는 산소 환원 반응에서 높은 성능을 나타낸다. 하지만 상대적으로 산소 발생 반응에서 다른 촉매보다 성능이 낮은 편이다. 이에 양방향에서 모두 고성능을 보일 수 있도록 ‘페로브스카이트의 산소발생반응 촉매 성능’을 높이는 게 첫 번째 단계라 할 수 있다.

2. 연구내용

페로브스카이트 촉매에 전도성 고분자 중 하나인 폴리피롤(polypyrrole)을 첨가한 결과, 산소환원반응의 전압이 극명하게 향상됐다. 연구진은 이전에는 발견하지 못했던 새로운 현상을 보고하고, 그 원인도 규명했다.

일반적으로 2개의 독립적인 촉매를 물리적으로 섞어 사용하면, 둘 중 좋은 성능을 보이는 한쪽을 따르거나 중간값을 갖는다. 그런데 페로브스카이트와 폴리피롤의 경우 단순히 섞기만 했는데도 시너지 효과가 발생해, 산소환원 전압이 올라갔다.

산소 환원 반응은 산소가 전자를 4개 받는 반응을 말한다. 처음에 전자 1개를 받으면서 촉매에 산소가 붙고, 전자 4개를 받게 되면 산소가 촉매에서 떨어져 나온다. 이 과정 중 맨 처음 산소가 전자를 받으면서 촉매에 달라붙는 ‘속도결정단계’가 가장 느리다. 그런데 페로브스카이트에 첨가된 폴리파이롤이 이 속도를 개선하는 역할을 한다.

폴리피롤은 중성 상태일 때 자신이 가지고 있는 전자를 외부로 내보내 홀(+)을 생성하려 한다. 이런 현상 덕분에 폴라피롤은 공기 중의 산소와도 민감하게 반응하게 된다. 폴리피롤이 산소에게 전자를 주면서 (+)상태가 되고 산소는 전자를 받아 (–)상태가 된다. 이 전자를 하나 받은 활성산소는 페로브스카이트 촉매의 활성자리가 전기적으로 (+)상태를 띠기 때문에 중성상태인 산소보다 더 잘 달라붙게 된다. 따라서 속도를 결정하는 처음 산소가 촉매에 달라붙는 단계가 개선되는 것이다.

이번 연구를 통해 페로브스카이트와 폴리피롤의 시너지 효과를 얻었다. 그 결과 산소환원과 산소발생 양방향성 고성능 페로브스카이트 촉매를 제시했다. 이 촉매는 페로브스카이트 계열 촉매 중에서 가장 높은 성능을 보였다.

3. 기대효과

현재 금속-공기전지에 사용되고 있는 ‘백금’은 비싼 귀금속이다. 이를 대체할 촉매로 제시되는 ‘질소 도핑 카본’, ‘메탈-질소-카본’ 등은 열분해(pyrolyzation)를 위해 불활성 기체(inert gas)상에서 열처리가 필요하다. 또 최종적으로 남는 물질의 양도 많지 않다.

그러나 이번 연구로 소개된 페로브스카이트-폴리피롤 촉매는 2개의 요소를 독립적으로 대량 합성해 물리적으로 섞는 단순한 공정으로 얻을 수 있다. 작은 입자를 쌓아가며 합성하는 방식이 아니라 물질을 만든 뒤 쪼개는 방식으로 만들어 넓은 표면적도 확보할 수 있어 고성능 촉매를 많은 양으로 확보 가능하다.

[붙임] 용어설명

1. 에너지&환경 과학(Energy&Environmental Science)

현재 에너지와 환경 분야 세계적 학술지이며, 피인용지수(IF)가 25.4에 이를 정도로 영향력이 있는 과학저널이다.

2. 금속공기전지(Metal-Air batteries)

리튬이온전지를 대체할 것으로 주목받는 차세대 고용량 이차전지이다. 20여 년 전부터 연구돼 왔으며, 금속공기전지 중의 하나인 아연공기전지(Zinc-Air batteries)는 일차전지 형태로 미군의 군용 배터리로 사용되고 있다. 현재 충‧방전이 가능한 금속공기이차전지는 아직 연구단계이나, 이차전지로 실용화될 경우, 금속공기전지 중 그 용량이 낮은 편인 아연공기전지만으로도 기존 리튬이온전지에 비해 전기자동차의 주행 거리를 2배 이상 늘릴 수 있다.

3. 촉매

촉매란 반응과정에서 소모되거나 변화되지 않으면서 반응속도를 빠르거나 느리게 변화시키는 물질을 말한다. 기존 반응 경로와 다른, 즉 다른 형태의 전이상태를 형성해 반응이 일어나는 데 필요한 활성화 에너지를 변화시켜 반응속도를 변화시키는 게 촉매의 역할이다. 촉매는 소량만 있어도 반응 속도에 큰 영향을 미친다.

[붙임] 그림설명