울산과학기술원(UNIST) 연구진이 차세대 전기차 배터리 후보로 꼽히는 금속-공기전지(MAB)의 성능을 높여줄 촉매를 개발했다. 김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀은 금속-공기전지에서 공기를 받아들이는 양극(공기극)에 적용해 충전과 방전 성능을 모두 높이는 복합촉매를 개발했다고 10일 밝혔다.
페로브스카이트 촉매 위에 금속촉매를 원자 두께로 아주 얇게 씌운 형태인데, 두 촉매 사이에 자연스럽게 형성된 경계면이 촉매 성능과 안정성을 높인다.
금속-공기전지는 음극에 있는 금속과 양극에서 받아들이는 산소가 전자를 주고받는 산화환원반응을 하며 충·방전하는 이차전지다. 양극 물질로 공기를 이용하므로 가볍고 전기 저장용량도 커서, 차세대 전기차 배터리 후보로 주목받는다.
전체 성능은 공기극에서 일어나는 산소의 산화환원반응 정도가 결정하므로, 이 반응을 촉진할 촉매가 필요하다.
그런데 기존 촉매인 백금(Pt) 등은 귀금속이라 비싸고 안정성이 낮은 문제가 있다. 그 대안으로 성능이 뛰어나고 가격이 저렴한 페로브스카이트 촉매가 제시됐으나, 이 역시 충전이나 방전 중 한쪽 반응만 활성화하는 문제가 있다.
김 교수팀은 충전과 방전 반응에서 각각 뛰어난 성능을 보이는 두 종류 촉매를 결합한 복합촉매로 이 문제를 풀었다.
충전 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 반복했을 때 두 촉매의 시너지 효과가 최적 상태가 됐다.
증착 과정에서 페로브스카이트 촉매 속 망간이 스스로 확산해 코발트와 만나면서 화합물이 생성됐다.
이 부분은 두 촉매 경계면이 되면서 복합촉매의 안정성을 높이고, 산소의 산화환원반응을 촉진해 성능도 향상했다.
김 교수는 "값싸고 효율 높은 촉매를 금속-공기전지 공기극에 적용하면 상용화가 한층 빨라질 것"이라면서 "이번 연구는 페로브스카이트 산화물에 원자층 증착을 접목해 차세대 공기극 소재 개발에 새로운 방법을 제시했다"고 밝혔다. 이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 나노에너지(Nano Energy) 3일 자 온라인에 공개됐다.