국내 연구진이 전기자동차용 포스트(Post) 리튬이온전지로 주목받고 있는 아연-공기전지의 핵심 구성요소인 촉매를 상온에서 대량생산할 수 있는 원천기술 개발에 성공하였다. 향후 아연-공기전지의 상용화에 도움이 될 것으로 기대된다.
미래창조과학부(장관 최문기) ‘신기술융합형성장동력사업’의 지원을 받아 UNIST 조재필 교수팀이 주도한 이번 연구는 기존의 백금 촉매보다 촉매활성도와 내구성이 우수하고 고온의 열처리 과정을 거치지 않고도 상온에서 대량합성이 가능한 저가의 유기물기반 탄소나노튜브 촉매를 개발한 것으로 생산 공정이 쉬움에도 불구하고 성능 또한 우수하여 차세대 전지로 각광받는 아연-공기전지의 상용화에 도움이 될 것으로 전망된다.
현재 사용되는 백금촉매는 귀금속이므로 생산단가가 비싸고 사용시간이 증가함에 따라 수명이 급격히 저하되는 단점이 있으며, 이를 해결하기 위해 연구되어 왔던 철-질소-탄소(Fe-N-C)로 이루어진 촉매들 역시 800°C 이상의 고온에서 합성해야하는 문제가 있었다.
이번에 개발된 신촉매 합성법은 아연-공기전지의 출력과 용량을 동시에 획기적으로 높이는 원천기술로 연구팀은 사람 몸속의 단백질 구성성분인 철포르피린이 촉매작용을 하여 산소의 이온화반응을 촉진하는 것에서 영감을 얻어, 이와 유사한 구조를 가진 철프탈로시아닌을 이용해 유기물기반 탄소나노튜브 촉매를 개발하였다.
아연-공기전지에 이 촉매를 적용한 결과 전지의 수명이 기존의 백금 촉매대비 50%이상 개선되었으며 일시에 많은 전류를 흘릴 때 전압이 급격히 떨어지는 현상을 40% 이상 줄일 수 있어 고출력 전지 제조도 가능하다. 또한 현재 개발이 진행되고 있는 철-질소-탄소(Fe-N-C) 촉매대비 공정이 단순하여 30% 이상의 원가 절감을 가져올 수 있다.
동 연구성과는 네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’지 6월 25일자에 게재되었다.(논문명 : Promotion of Oxygen Reduction by a Bio-inspired Tethered Iron Phthalocyanine Carbon Nanotube-Based Catalyst)
조재필 교수는 “금속-공기전지 개발을 위해 전 세계적으로 경쟁이 불붙은 가운데 가격 및 안전성 측면에서 가장 우수한 촉매기술을 선점했다는 점에서 큰 의의가 있다”며 “고온 열처리 공정이 필요 없는 이번 촉매개발은 아연-공기전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있는 획기적인 결과”라고 평가했다.
한편, 조재필 교수 연구팀은 아연-공기전지 연구 분야에서 세계적인 선도 연구자로 평가받고 있다.
■ 용어설명
* 아연-공기전지 : 음극으로 아연, 양극으로 공기 중의 산소를 이용하는 전지로 리튬이온전지를 대체할 차세대전지로 기대되고 있음
* 촉매 : 아연-공기전지에서 산소를 환원시키는 역할을 하며 아연-공기전지의 성능, 가격을 획기적으로 변화시킬 수 있는 중요한 요소임
* 철포르피린 (iron(II) phorphyrin) : 혈색소, 시토크롬, 엽록소 등의 색소성분을 구성하는 화합물
* 철프탈로시아닌(iron phthalocyanine, FePc) : 철포르피린과 유사구조를 갖는 푸른색 염료
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