전북대 연구진, 세계 최고 효율 ‘아연-공기전지’ 개발...실용화되면 혁신적 발전 기대

▲사진*고성능 아연-공기전지 개발 핵심 전북대 연구원들

[전북소비자저널=최훈 기자] 전북대학교(양오봉 총장) 이중희 교수팀(나노융합공학과)이 세계 최고의 효율을 가진 차세대 고효율 아연-공기전지를 개발해 학계의 주목을 받고 있다.

최근 아연-공기전지(Zn-Air batteries: ZABs)는 리튬이온전지(Li-ion batteries: LiBs)에 비해 높은 에너지 밀도와 저렴한 제작 비용, 뛰어난 화재 안전성 덕분에 많은 관심을 받고 있다. 

200~300Wh/kg 범위의 에너지 밀도를 갖는 리튬이온전지에 비해 아연-공기전지는 1,350 Wh/kg 이상의 에너지 밀도를 자랑하고, 소재 역시 지구상이 풍부하게 존재하는 환경친화적인 아연 재료를 사용해 재활용이 용이한 장점을 가진다. 안정성 측면에서도 이차전지 시스템에 적합한 기술적 장점을 갖고 있어 차세대 전지로써 높은 잠재력을 갖고 있다.

하지만 아연-공기전지의 상용화를 위해 해결해야 할 과제가 있다. 음극에서 발생하는 느린 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)의 속도를 개선해야 한다. 

이는 아연-공기전지의 수명을 단축시키는 주원인이다. 이러한 반응 속도를 높이기 위해 현재 백금이나 산화루테늄 같은 고가의 귀금속이 이 반응의 촉매로 사용되고 있지만, 높은 소재 단가와 자원 고갈 문제가 제기되고 있어 대체 촉매 소재 개발이 매우 절실한 상황이다.

이에 전북대 이중희 교수와 김남훈 교수, 트란듀이탄 교수, 남성웅 석사과정 학생이 참여한 연구팀은 고가의 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 고성능, 내구성이 뛰어난 양기능성 산소 전기촉매를 개발해 아연-공기전지에 적용했다.

연구팀은 부분적으로 박리시킨 금속붕화물 엠벤(MBene)을 제작해 이 위에 철 프탈로시아닌(FeMc) 분자를 균일하게 고정화하여 효율적인 공기 음극 전극(FeMc-MoAl1-xB)을 구현했다.

3단계 공정을 통해 제작한 이 전극은 독특한 전자 상태를 형성하여 산소반응 속도와 산소환원반응 속도를 동시에 향상시켰다는 특징이 있다.

전극 표면에서 향상된 산소반응 속도로 인해 개발된 아연-공기전지는 168 mW/cm²의 높은 피크 전력밀도를 나타내며, 고농도 전해질 상에서도 800시간 이상의 우수한 충·방전 내구성을 보여줬다.

이같은 연구 결과는 현재 아연-공기전지 산업계에서 개발하고자 하는 높은 에너지 밀도와 우수한 안정성뿐만 아니라 짧은 충전시간과 제작비용 감소라는 어려운 난제들을 동시에 충족시킬 수 있어 차세대 아연-공기전지 산업에서 초고효율 고내구성 산소 전기촉매 개발에 관한 획기적인 기술적 방안을 제시해 관련 산업 분야에 큰 파급효과를 미칠 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 이번 연구는 전북대 나노융합공학과 남성웅 석사과정생이 주도했으며, 에너지 소재분야의 세계적 최우수 학술지인 『Energy & Environmental Science』(IF: 32.4, JCR: 상위 0.5%)에 개재됐다. 

이중희 교수는 “이번 연구로 개발된 고성능 아연-공기전지 음극소재는 기존 상업용 소재보다 제작비용이 약 60배 저렴해 공기-아연전지의 실용화에 크게 기여할 것”이라며, "학계와 산업계의 협력을 통해 조기 상용화를 목표로 하겠다"고 말했다.

한편 이번 연구는 한국 연구재단의 지역선도연구센터사업(RLRC), 중견연구지지원사업, 기초연구실사업의 지원을 받아 수행됐다.