AI 기반 화재 걱정없는 고효율 아연-공기 배터리 개발

전기차·웨어러블 전자기기 등 미래 에너지 저장 장치 시장 선도 기대

국내 연구진이 화재로부터 안전하고, 값이 저렴한 아연 금속과 공기 중의 산소로 구동되는 고에너지 밀도를 가진 고출력 차세대 전지를 개발했다.

강정구 한국과학기술원(KAIST·카이스트) 신소재공학과 교수 연구팀이 한병찬 연세대 교수 연구팀, 최상일 경북대 교수 연구팀, 정형모 성균관대 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 인공지능 기반 화재의 위험이 없는 고효율 아연-공기 전지를 개발했다고 4일 밝혔다.

왼쪽부터 람 바부 기싱 박사, 김동원 박사과정, 아매드 무하마드 석사과정, 강정구 교수, 이제덕 석사과정, 최종휘 박사과정. KAIST 제공.

'제2의 반도체'로 불리는 리튬이온 전지(LIB)는 에너지 저장 장치 시장을 주도할 정도로 시장 점유율이 높지만, 화재에 취약한 단점이 있다. 이 때문에 리튬이온 전지의 대체 전지로 최근 '아연-공기 전지 배터리' 연구가 활발하게 진행되고 있다.

아연-공기 전지 배터리는 음극(-)에 사용되는 아연 금속과 공기 중의 산소를 전극 반응에 활용하는 양극(+)인 공기극에 필요한 공기가 자연에 풍부해 소재 비용이 적다는 장점이 있다.

하지만 아연-공기 전지 배터리의 경우도 고효율 아연-공기 전지를 구현하기 위해서는 충·방전 시에 공기극에서 일어나는 산소 환원과 산소 발생 반응이 잘 일어나게 하는 이종기능 촉매의 설계가 필수적인데, 기존에 알려진 상용 촉매는 백금, 이리듐 등 귀금속을 기반으로 해 가격 경쟁력이 떨어진다.

금속-유기 골격체에서 기인한 전이금속산화물 기반의 이종 접합(CoO-Mn3O4 Heterostructure) 촉매의 계면 구조와 이종 접합 촉매 기반 아연-공기 이차전지 충·방전 과정 모식도. KAIST 제공

강정구 교수 공동연구팀은 아연 금속-공기 전지에 쓰일 값이 저렴한 전이금속산화물 이종접합 촉매 물질을 개발했다. 이 물질은 아연-공기 전지에 사용 시에 귀금속 기반 촉매보다 높은 활성도 및 안정성을 나타냈다.

연구팀은 개발된 이종기능 촉매를 활용해 아연-공기 완전셀을 구성해 고성능 에너지 저장 소자를 구현했다. 구현된 아연-공기 전지는 기존 상용화된 리튬이온 배터리를 뛰어넘는 에너지 밀도를 가지는 것으로 확인됐다.

강 교수는 "이번 연구로 개발된 전이금속 산화물 기반의 차세대 촉매 소재는 가격 경쟁력과 높은 촉매 활성도로 인해 아연-금속 공기 전지의 상용화에 기여할 수 있다"면서 "중소형 전력원뿐 아니라 향후 전기 자동차까지 활용 범위를 확대해 적용될 수 있을 것"이라고 말했다.

최종휘 KAIST 신소재공학과 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 에너지 저장 소재 분야 국제 학술지 '에너지 스토리지 머터리얼스(Energy Storage Materials)'에 지난 1월 14일 자에 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr