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.
UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 송현곤 교수팀은 금속공기전지에 쓰이는 귀금속 촉매를 대체할 ‘고성능 유무기 복합 촉매’를 개발했다. 산화물계 촉매에 전도성 고분자를 섞어 만든 이 촉매는 충전과 방전에서 모두 높은 성능을 보였다. 금속공기전지를 이차전지로 사용할 가능성이 높아진 것이다.
금속공기전지는 공기 중 산소를 연료로 사용한다. 금속을 금속이온으로 바꾸면서 뽑아낸 전자를 가지고 산소를 환원시켜 전기를 생산하는데, 이때 반응을 촉진시킬 촉매가 필요하다. 산소 환원에 가장 좋은 촉매로는 백금이 널리 알려져 있으나, 가격이 비싸고 충전 시 산소 발생 반응을 잘 일으키지 못하는 한계를 가지고 있었다.
한편, 대체 촉매로 주목 받고 있는 저가 금속의 산화물 촉매는 단독으로 사용할 경우 백금의 산소 환원 성능을 따라잡지 못한다. 이에 송현곤 교수팀은 기존 산화물 촉매에 유기 고분자인 ‘폴리피롤(polypyrrole)’을 섞어 산화물 촉매의 성능을 획기적으로 향상시켰다. 이 촉매를 사용해 금속공기전지를 충‧방전시키자 백금보다 뛰어난 성능을 보였다.
제1저자로 이번 연구에 참여한 이동규 UNIST 에너지 및 화학공학부 석‧박사통합과정 연구원은 “폴리피롤은 산소를 끌어당겨 산화물 촉매에 넘겨주는 도우미 역할을 한다”며 “다양한 산화물계 촉매에 적용이 가능하다”고 설명했다.
송현곤 교수는 “이번에 개발한 촉매는 화학적인 결합을 위한 추가적인 열처리 과정이 없어 공정이 쉽고 대량생산에 용이하다”며 “금속공기전지뿐 아니라 수소연료전지의 촉매로도 고성능을 발휘할 수 있어 에너지 분야에서 크게 기여할 것”이라고 평가했다.
한편, 이번 연구에는 UNIST 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수팀과 곽상규 교수팀이 함께 참여했다. 연구 결과는 에너지와 환경 분야에서 세계적인 저널인 ‘에너지 환경 과학(Energy & Environmental Science)’ 2017년 1월호에 출판될 예정이다.
