백성현 교수팀, 차세대 아연공기전지용 전극촉매 개발

전기화학적 활성 크고 안정성 높은 전기화학촉매 개발

성능 향상과 가격경쟁력 확보로 차세대 2차전지 상용화 기대 높여

 

화학·화학공학 융합학과 백성현 교수가 이끄는 에너지환경기술연구실 연구팀이 기념촬영을 하고 있다.

▲ 화학·화학공학 융합학과 백성현 교수가 이끄는 에너지환경기술연구실 연구팀이 기념촬영을 하고 있다.

 

화학·화학공학 융합학과 백성현 교수 연구팀이 아연공기전지의 상용화를 앞당길 수 있는 전극촉매를 개발했다.

 

대기 중 산소와 아연의 화학반응으로 전기를 생산하는 아연공기전지는 향후 리튬이온배터리를 대체할 차세대 전지로 평가받는다. 이론상 높은 용량과 에너지 밀도, 안정성, 친환경성, 가격경쟁성 등에서 다양한 장점을 가져 급증하는 에너지 수요를 충족시킬 수 있는 잠재력이 있다.

 

하지만 공기극에서 일어나는 산소환원 및 발생반응의 느린 촉매반응으로 인해 성능이 저하되는 단점이 있다. 또한 현재 사용되는 촉매는 대부분 값비싼 귀금속 물질이기 때문에 상용화를 위해서는 비귀금속 기반 촉매 개발이 필수적이다.

 

연구팀은 철, 코발트 합금과 질소가 도핑된 탄소를 기반으로 하는 촉매에 구조결함이 유도된 케첸블랙 지지체를 도입해 촉매반응시간을 줄이고 안정성이 뛰어난 전극촉매 합성에 성공했다. 새로 개발된 전극촉매는 셀의 성능을 극대화해 충방전 등에서 전기화학적 성능을 향상시킨다. 또한 이용되는 소재가 귀금속에 비해 저렴하기 때문에 가격경쟁력도 확보했다.

 

연구내용을 담은 두 개의 논문(영문 제목: ‘FeCo alloy nanoparticles embedded in N-doped carbon supported on highly defective ketjenblack as effective bifunctional electrocatalysts for rechargeable Zn-air batteries’, ‘Oxygen vacancy-rich CoFe/CoFe2O4 embedded in N-doped hollow carbon spheres as a highly efficient bifunctional electrocatalyst for Zn-air batteries’)은 각각 국제 저명 학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 엔바이런먼탈(Applied Catalysis B: Environmental, JCR 상위 0.93%)’과 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, JCR 상위 2.45%)’에 게재되었고, 화학·화학공학 융합학과 김규태, 고요한 석사과정생과 민경석 석박사통합과정생이 공동 1저자로 참여했다.

 

백성현 화학·화학공학 융합학과 교수는 “간단한 구조결함 유도 및 탄화과정을 통해 향후 아연공기전지의 상용화에 지대한 영향을 미칠 전기화학촉매 개발에 성공했다”며 “더 나아가 이번 연구에서 선보인 구조결함 유도기법은 수전해, 연료전지 등 다양한 에너지 변환 및 저장장치에 적용이 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

 

한편, 이번 연구는 한국산업기술진흥원의 산업혁신 인재성장 지원사업과 한국기초과학지원연구원의기초과학 연구역량 강화사업의 지원을 받아 수행되었다.

 

(위) 구조결함이 유도된 케첸블랙 기반 철, 코발트 합금 및 질소가 도핑된 탄소복합촉매 합성과정 모식도, (아래) 귀금속 기반 촉매 대비 우수한 충방전 성능을 보이는 새로 개발된 복합촉매.

▲ (위) 구조결함이 유도된 케첸블랙 기반 철, 코발트 합금 및 질소가 도핑된 탄소복합촉매 합성과정 모식도,

(아래) 귀금속 기반 촉매 대비 우수한 충방전 성능을 보이는 새로 개발된 복합촉매.