[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

금속-공기전지(Metal-Air Battery: MAB)는 순수 금속으로 제조된 ‘연료극’과 촉매가 들어있는 ‘공기극’으로 구성된 전기화학전지다. 작동원리로 봤을 때 금속을 연료로 삼아 전기를 만드는 일종의 연료전지로도 생각할 수 있다. 금속-공기전지는 다른 전기화학전지에 비해 간단한 구조와 저렴한 소재, 큰 전기용량을 가진다. 에너지 전환효율이 높고 오염물질 배출이 전혀 없는 등 장점도 많다.

금속-공기전지의 공기극에는 대부분 백금(Pt), 산화이리듐(IrO₂) 등의 귀금속이 촉매로 사용됐다. 귀금속 촉매가 산소환원반응(ORR)이나 산소발생반응(OER)에서 좋은 효율을 보이기 때문이다. 하지만 이들은 비싼 가격과 희소성, 낮은 내구성 등의 문제점이 있어 대규모로 응용하기 어렵다. 이런 문제를 해결하려면 공기극에 사용할 수 있는 ‘고효율 비귀금속 촉매’를 개발해야 한다.

최근 고효율 비귀금속으로는 ‘양이온 정렬형 더블 페로브스카이트(cation ordered double perovskite)’가 주목받고 있다. 이 물질은 전기 전도도가 높고 촉매 활성이 좋아 금속-공기전지의 공기극으로 사용했을 때 고효율 성능을 얻을 수 있다. 과학자들은 이 물질의 촉매적인 특성을 극대화하기 위해 페로브스카이트 구조의 A 또는 B 위치(site)에 금속을 치환 또는 도핑하거나, 페로브스카이트 형태를 바꾸는 방향 등으로 다양한 연구를 진행하고 있다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 페로브스카이트 B 위치(site)에 코발트(Co)와 철(Fe)의 도핑을 조절해 가장 좋은 비율을 찾아냈다. 여기서 한 발 더 나아가 이 물질의 효율을 극대화할 수 있는 나노섬유(Nanofiber) 형태까지 만들어 제안했다.

연구진은 PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ(x=0, 0.5, 1, 1.5, 2, PBSCF)를 준비하고 전기화학적 평가를 통해 최적의 철(Fe) 함량을 결정했다. 나노 크기의 분말을 얻는 데는 전기 방사법을 사용했다. 이렇게 만든 다공성 구조의 PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 나노섬유(PBSCF-NF)는 균일한 직경과 높은 표면적(~20m2 g-1)을 가졌다. 이 덕분에 산소환원반응과 산소발생반응 두 기능을 모두 향상시켰다.

특히 산소발생반응 성능은 0.3V의 과전압에서 최첨단 귀금속 산화물 산화이리듐(IrO2)보다 약 9배 더 높았다. 또한 고전류밀도(10mAcm-2)를 사용한 아연-공기전지(Zn-Air Battery)에서도 매우 뛰어난 충․방전 안정성을 나타냈다.

아연-공기전지 모식도: 구멍이 뚫린 부분이 공기극, 반대쪽이 연료극이다. 아연을 연료극으로 쓰고, 새로 개발한 촉매를 적용한 아연-공기전지에서 매우 뛰어난 충‧방전 안정성을 보였다.

3. 기대효과

금속-공기전지 개발에서 가장 중요한 부분은 공기극 촉매 재료 개발이다. 이번에 개발한 새로운 형태의 ‘나노섬유 페로브스카이트(Nanofiber Perovskite)’는 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)에서 크게 향상된 결과를 내놓아 향후 금속-공기전지의 효율을 올리는 데 크게 기여할 것으로 보인다.

현재 소형 IT기기 시장 중심으로 상용화된 이차전지 중 에너지 밀도가 가장 큰 이차전지는 리튬이온전지(Lithium ion battery: LiB)다. 하지만 이론적인 에너지 밀도는 한계에 다다른 데다 중대형 이차전지로는 안전성 측면에서 기술적 한계가 있다.

미래에 수요가 커질 것으로 예상되는 중대형 이차전지 시장에서는 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 전지(Post-LiB) 기술들이 속속 등장하고 있다. 특히 과거에 등장했으나 빛을 보지 못했던 배터리 기술도 다시 주목받고 있다. 대표적인 차세대 전지 후보는 리튬황전지, 금속-공기전지, 전고체전지 등이다.

금속-공기전지의 최대 장점은 자연계에 무한히 존재하는 산소를 활물질로 이용한다는 점이다. 이론적으로도 다른 이차전지에 비해 에너지 밀도가 높고, 오염물질을 배출하지 않는 친환경적인 특성도 보유하고 있다. 금속-공기전지는 연료극에 사용하는 금속에 따라 여러 종류가 있다. 이들의 에너지 밀도, 전기적 충·방전 가능성, 전기화학적 특성 등을 비교했을 때 차세대 전기자동차용 이차전지로는 ‘리튬-공기전지’와 ‘아연-공기전지’가 가장 유망한 후보군으로 뽑힌다.

특히 리튬-공기전지의 이론적인 에너지 밀도는 11,140Wh/kg로 금속-공기전지 중에서 가장 큰 값을 가지고 있다. 이는 13,000 Wh/kg인 가솔린과 유사한 특성이다. 이런 잠재력 때문에 2000년대 중반부터는 아연-공기전지보다는 리튬-공기전지에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.

금속-공기전지의 상용화에는 아직 극복할 문제들이 산재해 있어 상용화까지는 다소 시일이 걸릴 것으로 전망된다. 하지만 최근 아이비엠(IBM), 도요타(Toyota), 삼성전자 등 다수의 글로벌 기업들이 금속-공기전지 개발 경쟁에 진입하면서 많은 투자가 이뤄지고 있다. 기존 리튬이온전지와 연료전지 분야 기술 역량을 기반으로 적극적으로 연구개발을 진행할 경우, 기술적 난제를 조기에 해결하고 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 예상된다.

이번 연구에서 개발된 촉매의 높은 전기화학적 촉매 성능은 금속-공기전지의 상용화에 큰 역할을 할 것으로 판단된다. 또 금속-공기전지 산업계에서 문제점으로 지적돼 온 안정성 문제도 동시에 해결할 수 있는 단서를 제공함으로써 세계 금속-공기전지 산업에 이바지할 계기가 될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 금속-공기전지(MAB, Metal-Air Battery)

음극(연료극)에 철·리튬·아연·마그네슘·알루미늄 등 금속을 사용하는 전기화학전지를 말한다. 이 전지의 양극에는 연료전지 연구로 개발된 산소극 같은 공기극을 사용한다. 공기 중의 산소를 이용하므로(미리 산소를 넣지 않아도 됨) 가볍고, 연료극에 이용하는 금속은 싼 물질들이므로 실용성이 높다. 금속-공기전지는 고에너지 밀도 전지로 주목받는다. 이 전지를 전기자동차용 전원으로 사용하기 위해, 2차 전지로 만드는 연구가 미국과 일본 등에서 진행되고 있다. 1차 전지로 쓰이는 아연-공기전지는 단추형으로 보청기 등에 쓰인다.

2. 양이온 정렬형 더블 페로브스카이트(Cation Ordered Double Perovskite)

일반적인 페로브스카이트는 이온 반경이 큰 희토류 원소들과 원자 반경이 작은 전이금속 그리고 산소 이온로 이뤄진 8면체 물질이다. 양이온 정렬형 더블 페로브스카이트는 이온 반경이 큰 원자 일부를 다른 원자로 치환함으로써 원자 크기가 달라지고 규칙적으로 층이 만들어진다. 양이온 정렬형 더블 페로브스카이트는 일반적인 페로브스카이트에 비해 촉매 활성과 전기 전도도가 우수하며, 구조적인 안정성도 뛰어나 금속-공기전지의 성능과 안정성 향상에 기여하는 것으로 판단된다.

[붙임] 그림설명