보도자료

2018년 12월 3일(월) 조간,
온라인은 12월 2일(일) 12시부터 보도해 주시기 바랍니다.

금속-공기전지 성능 높일 ‘복합촉매’ 개발

UNIST 김건태 교수팀, 탄소재료-페로브스카이트 시너지 효과 분석
복합촉매 개발 지침 제시해… 국제 학술지 스몰(Small) 표지 선정

저렴한 소재와 간단한 구조, 그리고 고용량의 에너지를 담을 수 있는 ‘금속-공기전지’의 효율을 높일 기술이 개발됐다. 두 가지 촉매를 함께 써서 성능을 높이는 새로운 아이디어다.

UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수팀은 금속-공기전지(Metal-Air Battery)의 성능을 높일 새로운 ‘복합촉매(SSC-HG)’를 개발했다. 서로 다른 두 촉매를 함께 쓰면서 시너지(Synergy) 효과를 얻었는데, 이 현상의 원리까지 분석해 앞으로 연구방향도 제시했다.

금속-공기전지는 금속으로 만들어진 ‘연료극’과 산소를 받는 ‘공기극’으로 이뤄진다. 산소를 금속과 반응시키면서(산화) 전기를 발생시키고(방전), 반대로 산화된 금속에서 산소를 분리하면(환원) 전기를 저장할 수 있다(충전). 공기극에 있는 촉매 성능이 좋아야 방전이나 충전이 잘 된다. 주로 백금(Pt)이나 산화이리듐(IrO₂) 등을 고성능 촉매로 썼는데, 귀금속이라 비싸고 희소하며 내구성도 낮아 대규모로 응용하기 어렵다.

귀금속 촉매의 문제를 해결하기 위해 최근에는 페로브스카이트(Perovskite) 물질이나 탄소재료 등을 이용한 새로운 촉매 개발이 추진되고 있다. 특히 두 물질을 함께 쓰면서 촉매 성능을 향상시키는 복합촉매 연구가 활발하다.

김건태 교수팀은 ‘페로브스카이트 산화물(SSC)’과 ‘3차원 질소 도입 그래핀(3DNG)’으로 복합촉매를 만들었다. 두 촉매는 따로 사용해도 일정 수준의 성능을 나타내는데, 둘을 혼합하자 시너지 효과를 나타내며 훨씬 뛰어난 성능을 보였다.

김선아 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “복합촉매를 사용하면 전지 작동환경에 더 유리한 한쪽 촉매만 성능을 발휘하는 게 일반적”이라며 “새로운 복합촉매는 두 촉매가 상호작용하며 전체적인 성능을 높였다”고 설명했다.

연구진은 복합촉매에서 우수한 성능을 보이는 까닭을 밀도함수이론(DFT)로 분석했다. 그 결과 새로운 복합촉매에서는 전기전도도가 좋은 3DNG가 SSC로 많은 전자를 전달하면서 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)에서 활성이 좋아진다는 게 밝혀졌다.

3DNG가 산소 분자에 전자를 전달해 ‘반응 에너지가 큰 산소’를 만들고, 이 덕분에 3DNG와 연결된 SSC 표면의 코발트(Co)에서 산소 분자를 끊는 산소환원반응이 더 잘 일어나게 된다. 반대로 산소 원자를 결합할 때에는 전자를 많이 가진 3DNG가 SSC의 코발트로 전자를 주면서 코발트-산소 공유결합을 강화해 산소발생반응을 더 잘 일으키게 된다.

김건태 교수는 “복합촉매에서 나타나는 시너지 효과는 촉매끼리 전자 이동을 촉진한 결과”라며 “이번 분석을 참고하면 앞으로 더 효율적인 페로브스카이트-탄소재료 복합촉매를 설계할 수 있을 것”이라고 말했다.

그는 이어 “차세대 고용량 배터리로 손꼽히는 리튬-공기전지의 공기극에 값싼 재료로 고성능 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며 “새로운 복합촉매는 성능은 물론 안정성까지도 확보해 금속공기전지 산업에 이바지할 것”이라고 기대했다.

이번 연구에는 UNIST 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수와 이준희 교수가 함께 참여했다. 연구결과는 마이크로‧나노재료 분야의 세계적 권위지인 ‘스몰(small)’ 11월 28일(목) 표지로 선정돼 출판됐다. (끝)

논문명: A tailored bifunctional electrocatalyst: Boosting oxygen reduction/evolution catalysis via electron transfer between n-doped graphene and perovskite oxides

자료문의

대외협력팀: 장준용 팀장, 박태진 담당 (052)217-1232

에너지 및 화학공학부: 김건태 교수 (052)217-2917

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

금속-공기전지(Metal-Air Battery, MAB)는 순수 금속으로 제조된 연료극과 촉매가 들어있는 공기극으로 구성된 전기화학전지다. 작동원리로 보았을 때, 금속을 연료로 하는 일종의 연료전지로도 생각할 수 있다. 다른 전기화학전지에 비해 구조가 간단하고, 소재가 상대적으로 저렴하며, 전기용량도 크다. 또 에너지 전환효율이 높고 오염물질 배출이 전혀 없는 등 많은 장점을 지니고 있다.

MAB 공기극에는 백금(Pt), 산화이리듐(IrO₂)등의 귀금속 촉매 소재가 보편적으로 사용된다. 귀금속 촉매는 산소환원반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR) 또는 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, OER) 효율이 좋다. 하지만 비싼 가격과 희소성, 낮은 내구성 등의 문제로 인해 대규모로 응용하기는 어려웠다. 이런 문제를 해결하기 위해 공기극에 쓰일 고효율 비귀금속 촉매의 개발이 매우 중요하다.

최근 양이온 정렬형 페로브스카이트(Cation Ordered Perovskite)는 높은 전기전도도 및 촉매활성으로 인해 이 분야에서 많은 주목을 받고 있다. 특히 페로브스카이트의 촉매 특성을 향상시키기 위해서 탄소재료와 혼합한 ‘복합촉매제’ 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 페로브스카이트와 탄소재료를 혼합해 구성한 복합촉매제는 각 촉매 물질(페로브스카이트, 탄소재료)의 성능을 뛰어넘는 촉매 성능을 보인다. 하지만 이 시너지 효과에 대한 이론적인 증명은 제시되지 않았다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 ‘페로브스카이트 산화물(Sm0.5Sr0.5CoO3-δ, SSC)’과 탄소재료 가교 결합된 ‘삼차원 질소 도입 그래핀(3D N-doped graphene, 3DNG)’를 이용한 복합촉매제를 제조했다. 이 물질로 산소환원반응과 산소발생반응에 대해 우수한 성능을 확보하고, 이때 발생하는 시너지 효과를 밀도함수이론(Density Functional Theory, DFT) 계산을 통해 증명했다.

페로브스카이트 산화물(SSC)은 전기방사(Electrospinning) 방법을 통해 ‘가운데 구멍이 뚫린 섬유(hollow fiber)’ 형태로 제작됐다. SSC는 탄소재료인 3DNG와 혼성화된 복합체(SSC-HG)를 형성하며 알칼리 환경에서 산소환원반응과 산소발생반응에 대해 우수한 촉매활성도를 갖는다. 이러한 촉매 성능은 SSC와 3DNG 촉매 각각의 성능보다 크게 향상됐으며, 두 물질(SSC, 3DNG) 사이의 상승효과는 밀도함수이론 계산에 의해 처음으로 밝혀졌다.

분석 결과에 따르면, 전기전도도가 좋은 3DNG가 산소 분자에 전자를 제공해 슈퍼옥사이드(Super Oxide, O2-)와 부분적으로 하전된 산소(Partially Charged Oxygen, O2δ-)의 생산을 유도한다. 이들은 SSC 표면의 활성 사이트인 코발트(Co)로 보내지며, ‘속도 결정 반응(Rate Determining Step, RDS)’인 산소 흡착을 가속화한다. 이에 따라 산소 분자를 끊는 ORR에 대한 촉매 활성도가 향상된다. 산소 원자를 결합하는 OER의 경우, 전자를 많이 가진 3DNG에서 SSC의 코발트(Co)로 전자 전달(Electron Transfer)이 일어나 코발트-산소 공유결합을 강화시키면서 OER에 대한 촉매활성도가 향상됐다.

3. 기대효과

금속-공기전지는 자연계에 무한한 산소를 활물질로 이용하고, 다른 이차전지보다 이론적인 에너지 밀도가 높으며, 친환경적인 특성도 보유하고 있다. 여러 종류의 금속공기전지 중 전기차용 이차전지로는 리튬-공기 및 아연-공기전지가 가장 유망한 후보군으로 뽑힌다.

특히 리튬-공기전지는 이론 에너지밀도가 1㎏ 당 11,140Wh에 달해 1㎏ 당 13,000Wh인 가솔린과 유사한 특성을 보이면서 금속-공기 전지 중에서도 가장 큰 에너지 밀도의 값을 갖는다. 이러한 잠재력 때문에 2000년대 중반부터는 아연-공기 전지보다는 리튬-공기 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

금속-공기전지의 상용화에는 극복할 문제들이 산재해 다양한 학문 분야에서 지식과 전문성이 요구된다. 최근 IBM, 도요타(Toyota), 삼성전자 등 다수의 글로벌 기업들이 개발 경쟁에 속속 진입하면서 연구개발이 이어지고 있다. 따라서 기존 리튬이온전지와 연료전지 분야 기술 역량을 기반으로 적극적으로 연구할 경우, 기술 난제를 조기에 해결하고 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 예상된다.

이번에 개발된 촉매의 높은 전기화학적 촉매 성능은 금속-공기전지 상용화에 큰 역할을 할 것으로 판단된다. 또 금속-공기전지 산업계에서 문제점으로 지적돼 온 안정성 문제도 동시에 해결할 단서를 제공함으로써 세계 금속-공기전지 산업에 이바지할 계기가 될 것으로 기대된다. 또한 시너지 효과에 대한 DFT 결과를 통해 밝혀진 SSC-HG에서의 전자 이동 촉진 촉매 작용은 페로브스카이트와 탄소 복합체에 대한 설계 지침을 제공할 것이다.

[붙임] 용어 설명

1. 금속-공기전지(Metal-Air Battery, MAB)

음극에 철·리튬·아연·마그네슘·알루미늄 등을 사용하고, 양극에는 연료전지의 연구로 개발한 공기극 물질(촉매)을 사용한다. 공기 중 산소를 양극의 활성물질로 이용하므로 미리 산소를 넣지 않아도 돼 가볍다. 음극에는 높은 에너지를 지닌 안전하고 값싼 금속을 사용하므로 실용성이 높다. 고에너지 밀도 전지로서 주목받고 있다. 전기차용 전원으로 활용하기 위해 이차전지로 바꾸는 연구가 미국·일본 등에서 진행되고 있다. 금속공기전지의 일종인 아연공기전지는 일차전지로서 단추형태의 보청기 등에 쓰인다.

2. 페로브스카이트(Perovskite)

페로브스카이트는 이온반경이 큰 희토류 등 원소들과 원자반경이 작은 전이금속 그리고 산소이온에 의해서 8면체를 이루는 물질로 ABO₃의 구조식을 갖는다. 페로브스카이트는 전기전도도가 우수하며 구조적인 안정성도 뛰어나 금속공기전지의 성능과 안정성 향상에 기여하는 것으로 판단된다.

[붙임] 그림 설명

그림1. 스몰(small) 표지 그림: 속이 빈 원통형 촉매인 페로브스카이트 산화물(SSC, 흰색)와 평면 형태인 3차원 질소 도입 그래핀(3DNG, 검정색)이 뒤섞인 복합촉매를 표현했다. 두 물질이 혼합되면 각각 따로 사용할 때보다 월등한 촉매 성능을 보인다.

그림2. 복합촉매 제작 과정: 전기방사법으로 가운데가 빈 원통형의 페로브스카이트 산화물(SSC)을 제작한 다음, 열처리와 초음파 처리를 거치면서 3차원 질소 도입 그래핀(3DNG)과 뒤엉킨 복합촉매를 만든다.

그림3. 제작된 복합촉매의 산소환원반응(ORR)에 대한 성능과 DFT 결과: (a)~(d) 새로운 복합촉매(SSC-HG)는 백금 촉매(Pt/C)와 견줄만한 우수한 성능을 보인다. (e) DFT 결과, SSC(아래쪽 분자)만 있을 경우와 SSC와 3DNG(위쪽 분자)가 함께 있을 경우 사소 분자의 흡착 에너지(Adsorption Energy, ∆Ead))를 비교했다. 그 결과 3DNG에서 SSC로의 전하 이동(Charge Transfer)과 함께 산소 분자의 흡착이 원할해지는 걸 확인할 수 있다.

그림4. 제작된 복합촉매의 산소발생반응(OER)에 대한 성능: 새로운 복합촉매(SSC-HG)는 대표적인 OER 촉매인 산화이리듐(IrO₂) 이외에도, 중공섬유형 SSC(HF-SSC), 입자형 SSC(SSC-P), 3DNG보다 월등한 성능을 보여준다.

그림5. 제작된 복합촉매의 산소발생반응(OER) 성능 향상에 대한 DFT 계산 결과: (a) 새로운 복합촉매(SSC-HG)에서는 3DNG(위쪽 분자)에서 SSC(아래쪽 분자)로 전자이동(electron transfer)가 일어난다. (b-c) 활성사이트인 코발트의 Co 3d 오비탈과 산소분자의 O 2p 오비탈의 혼성 과정에서 전자 이동에 의해 d-p center 가 줄어들었음을 알 수 있으며, 이는 코발트-산소 공유결합이 강화됐음을 시사한다. (d) SSC(아래쪽 분자)만 있을 경우와 SSC와 3DNG(위쪽 분자)가 함께 있을 경우 깁스 프리 에너지(Gibbs free energy) 비교 그래프. SSC와 3DNG(위쪽 분자)가 함께 있을 경우 더 안정적으로 반응이 진행되는 것을 확인할 수 있다.

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