촉매 합성과정 중 만들어진 계면이 효율 높여

▲ 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 김건태 교수 연구팀이 금속-공기전지에서 공기를 받아들이는 양극에 적용해 충전과 방전의 성능을 모두 높이는 ‘복합촉매’를 개발했다. 성아림 연구원(좌측)과 김건태 교수

[기계신문] 금속-공기전지(Metal-Air Battery, MAB)는 순수 금속으로 만든 연료극과 촉매가 들어있는 공기극으로 구성된 전기화학전지다. 다른 전기화학전지에 비해 구조가 간단하고, 소재가 상대적으로 저렴하며, 전기용량도 크다. 또 에너지 전환효율이 높고 오염물질 배출이 전혀 없는 등 장점이 많다.

MAB 공기극에는 산화환원 반응 활성화를 위해 백금(Pt)이나 산화이리듐(IrO₂) 등의 귀금속 촉매 소재가 보편적으로 사용된다. 하지만 이들 소재의 비싼 가격과 희소성, 낮은 내구성 등의 문제로 인해 대규모로 응용하기는 어려웠다. 이런 문제를 해결하기 위해 공기극에 쓰일 고효율 비귀금속 촉매의 개발이 매우 중요하다.

최근 비용이 저렴하고 촉매 활성이 우수하며, 안정성이 높은 페로브스카이트(Perovskite) 산화물이 귀금속 촉매의 유망한 대안으로 등장했다. 그러나 페로브스카이트 산화물은 방전과 충전에 나타나는 반응의 활성도가 비대칭적이라는 단점이 있다고 알려졌다.

따라서 페로브스카이트 산화물의 특정 반응에 대한 활성은 유지하면서 부족한 반응성을 개선하는 즉, 충전과 방전 성능이 동시에 우수한 이종 기능성 촉매 개발이 필요했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 김건태 교수 연구팀이 금속-공기전지에서 공기를 받아들이는 양극에 적용해 충전과 방전의 성능을 모두 높이는 ‘복합촉매’를 개발했다. 페로브스카이트 촉매 위에 금속촉매를 ‘원자 두께’로 아주 얇게 씌운 형태인데, 두 촉매 사이에 자연스럽게 형성된 경계면이 촉매의 성능과 안정성을 높인다.

▲ 복합촉매 제작 과정. 망간 기반 페로브스카이트 구조 산화물(LSM, 회색)에 원자층 증착법(Atomic layer deposition, ALD)으로 스피넬 구조의 코발트 산화물(빨간색)을 증착하는 과정에서 망간(Mn)의 확산으로 인해 계면에서 망간코발트 산화물이 만들어지는 것을 설명한다.

연구팀은 이 문제를 충전과 방전 반응에서 각각 뛰어난 성능을 보이는 두 종류의 촉매를 결합한 복합촉매로 풀었다. 충전에서 성능이 뛰어난 ‘금속촉매(코발트 산화물)’를 방전에서 우수한 성능을 보이는 ‘망간 기반 페로브스카이트 촉매(LSM)’ 위에 아주 얇게 증착해 하나로 만든 것이다. 실험 결과, 증착 과정을 20번 정도 반복해 진행했을 때 두 촉매의 시너지 효과가 최적이 됐다.

▲ 제작된 촉매의 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)에 대한 성능. 계면 시너지 효과로 인해 최적화된 촉매 LSM-20-Co가 대표적인 ORR 촉매인 백금 촉매와 견줄만한 성능을 보여주며(그림 a), 대표적인 OER 촉매인 산화이리듐보다 더 뛰어난 성능을 보여주는 것을 확인(그림 b)

성아림 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “증착 과정에서 페로브스카이트 촉매 속 망간(Mn)이 스스로 확산해 코발트(Co)와 만나면서 ‘망간-코발트 화합물’이 생성됐다”며 “이 부분은 두 촉매의 경계면이 되면서 복합촉매의 안정성을 높이고 산소의 산화환원반응을 촉진해 성능도 향상시켰다”고 설명했다.

김건태 교수는 “값싸고 효율 높은 촉매를 금속-공기전지의 공기극에 적용하면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며 “이번 연구는 페로브스카이트 산화물에 원자층 증착을 접목해 차세대 공기극 소재 개발에 새로운 방법을 제시했다”고 밝혔다.

▲ 제작된 촉매를 아연-공기전지에 실제 적용한 결과. 아연-공기 전지 모식도(그림 a), 제작된 촉매(붉은색)와 상용화된 촉매(검은색)를 적용했을 때 전지의 성능을 나타내는 전력밀도(우측 Y축) 그래프(그림 b)를 보았을 때 상용화된 촉매를 적용한 경우와 유사한 성능을 보임. 또한 전지의 충/방전 구동에서도 안정성을 확인(그림 C)

금속-공기전지는 대기 중 산소를 활물질로 이용하고, 다른 이차전지보다 이론적인 에너지 밀도가 높으며, 친환경적인 특성도 보유하고 있다. 여러 종류의 금속-공기전지 중 전기차용 이차전지로는 리튬-공기전지나 아연-공기전지가 가장 유망한 후보군으로 뽑힌다.

이번에 개발한 저렴한 촉매로 향상된 전기화학촉매 성능은 금속-공기전지 상용화에 큰 역할을 할 것으로 보인다. 또 금속-공기전지 산업계에서 문제점으로 지적돼온 안정성 문제도 동시에 해결할 단서를 제공함으로써 세계 금속-공기전지 산업에 이바지할 계기가 될 것으로 기대된다.

또한, 페로브스카이트 산화물 격자 내부에 확산된 원자와 증착되는 금속산화물 계면에서 새로운 층이 형성되는 것에 대한 발견은 다양한 페로브스카이트 산화물과 금속산화물 간의 복합촉매 연구에 설계 지침을 제공할 것이다.

이번 연구는는 펜실베이니아대의 레이몬드 코테(Raymond J. Gorte) 교수, 존 보 (John M. Vohs) 교수, UNIST 연구지원본부 정후영 교수가 함께 참여했으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노에너지(Nano Energy)’에 2월 3일자 온라인 공개됐다.

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