국내 연구진이 포스트 배터리 중 하나로 주목받는 리튬공기 배터리에 사용될 새로운 비(非)백금 촉매를 간단한 기계적 분쇄법을 이용해 개발했다.
현재 가장 우수한 촉매로 평가되는 고가의 백금 촉매를 대체하면서도 고효율의 산소 환원 반응이 가능해 스마트그리드나 전기자동차에 활용되는 리튬공기 배터리의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.
이재영 광주과학기술원(GIST) 환경공학부 교수가 주도하고 정범균 환경공학부 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 GIST 차세대에너지연구소(RISE)의 에너지저장 연구기반 구축사업과 한국산업기술진흥원이 추진하는 국제공동기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 이 연구 결과는 에너지화학 분야 세계적인 학술지인 켐서스켐 5월호에 게재됐다.
휴대전화에 사용되고 있는 리튬이온 배터리에 이은 차세대 에너지 전환 시스템으로 꼽히는 리튬공기 배터리 개발에서 가장 시급히 극복해야 할 과제는 산소 환원 반응의 속도를 높이는 것이다.
현재 산소 환원 반응을 가속하기 위한 촉매로 가장 효과적인 물질인 백금은 원료 가격이 비싸다는 단점을 지니고 있다. 리튬공기 배터리를 널리 보급하기 위해서는 백금을 대체할 수 있는 저렴한 비백금 촉매 개발이 반드시 필요하다. 연구팀은 전기방사와 고온 열처리를 통해 철·질소·탄소로 이뤄진 0.1㎛ 굵기의 탄소섬유를 제조했다.
산소환원촉매 성능 향상을 위해 이를 지름 2㎜ 크기의 지르코늄 산화물 구슬과 함께 분쇄기에 넣어 탄소층을 벗겨내는 방법을 시도했다.
고속 회전에 의한 기계적 분쇄법을 이용해 탄소층을 벗겨낸 철 탄소섬유를 촉매로 활용한 결과, 기존 백금 촉매 대비 73% 수준의 산소 환원 반응 효율을 나타냈다. 이는 기존의 비백금 촉매가 갖는 효율보다 성능이 1.7배 개선된 수치다.
이재영 교수는 “이번 연구 결과는 산소 환원 촉매 물질이 주로 금속 입자의 주변에 분포한다는 점을 밝히고 철, 질소, 탄소 계열의 촉매들의 형성 과정을 이해하기 위한 실마리를 제공했다는 점에서 의의가 있다”며 “향후 전기자동차와 신재생에너지와 연계된 중대형 에너지 저장 시스템 상용화에 기여할 것”으로 기대했다.
광주=서인주기자 sij@etnews.com