탄소층 제거해 효율 높인 비백금 촉매 개발

 

-이재영 교수팀, 세라믹 구슬 활용 효율 70%↑…ChemSusChem 게재

-스마트 그리드, 전기자동차 등을 위한 리튬 공기 배터리 상용화 기대

 

 

 

 

□ 국내 연구진이 포스트 배터리* 중 하나로 주목받는 리튬-공기 배터리**에 사용될 새로운 비(非)백금(Pt) 촉매를 간단한 기계적 분쇄법을 이용해 개발했다. 현재 가장 우수한 촉매로 평가되는 고가(高價)의 백금 촉매를 대체하면서도 고효율의 산소 환원 반응이 가능해 스마트 그리드나 전기자동차에 활용되는 리튬-공기 배터리의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

  *포스트 배터리(Post Batteries): 삼성경제연구소가 ‘미래 산업을 바꿀 7大 파괴적 혁신기술’의 하나로 꼽은 기술로, 현재 가장 우수한 성능을 보이는 리튬 이온 배터리보다 획기적으로 높은 에너지 용량을 갖는 배터리 제조 기술이다.
  **리튬-공기 배터리: 리튬 공기 전지는 기존의 리튬-전이금속 산화물 양극을 가벼운 공기극으로 바꾸고 리튬이온을 층간에 저장할 수 있는 흑연전극을 리튬금속 전극으로 바꿈으로써 단위 무게당 에너지 밀도를 획기적으로 높였다. 그러나 충‧방전 시 용량을 안정적으로 유지하기 어렵고, 산소가 리튬산화물로 환원되는 반응의 속도가 느려 출력이 리튬 이온 전지에 비해 낮다는 문제가 있다.

 

  ○ 지스트(GIST․광주과학기술원․총장 김영준) 환경공학부 이재영 교수(교신저자·에틀(Ertl) 촉매 연구센터)가 주도하고 환경공학부 정범균 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 지스트 차세대에너지연구소(RISE)의 에너지저장 연구 기반 구축사업과 한국산업기술진흥원(KIAT)이 추진하는 국제공동기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 에너지화학 분야의 세계적인 학술지인 켐서스켐(ChemSusChem) 5월호에 게재됐다.

  *논문명: Excavated Fe-N-C sites for enhanced electrolyitic activity in oxygen reduction reaction (Volume 7, Issue 5,  pages 1289–1294, May 2014 / DOI: 10.1002/cssc.201301374)

 

□ 휴대전화에 사용되고 있는 리튬-이온 배터리에 이은 차세대 에너지 전환․저장 시스템으로 꼽히는 리튬-공기 배터리 개발에서 가장 시급히 극복해야 할 과제는 산소 환원 반응*의 속도를 높이는 것이다.

  *산소 환원 반응(Oxygen Reduction Reaction․ORR): 산소가 환원돼 물로 되는 반응으로, 화학에너지가 전기에너지로 변환될 때 필수적인 핵심 과정. 포스트 배터리의 상용화 및 성능 개선을 위해서는 산소 환원 반응의 효율을 최대한 높여야 한다.

 

  ○ 현재 산소 환원 반응을 가속하기 위한 촉매로 가장 효과적인 물질인  백금은 원료 가격이 비싸다는 단점을 지니고 있다. 리튬-공기 배터리를 널리 보급하기 위해서는 백금을 대체할 수 있는 저렴한 비백금 촉매 개발이 반드시 필요하다.

 

 

(그림1) 기계적 분쇄법(볼밀 공정․Ball-mill process)을 활용해 철 함유 탄소 나노섬유의 탄소 구조 내 철 입자를 주 표면으로 효과적으로 노출시켜 향상된 촉매 활성 성능을 달성했다. (붉은색 그래프) 분쇄된 Fe-N-CNFs 그래프가 아래로 내려갈수록 우수한 산소환원성능을 의미. (녹색 그래프) 분쇄되기 이전의 Fe-N-CNFs.

 

 

□ 연구팀은 전기방사*와 고온 열처리를 통해 철-질소-탄소(Fe-Nx-C)로 이뤄진 0.1㎛ 굵기의 탄소섬유를 제조하였고, 산소환원촉매 성능 향상을 위해 이를 지름 2㎜ 크기의 지르코늄 산화물 구슬과 함께 분쇄기에 넣어 탄소층을 벗겨내는 방법을 시도하였다.

  *전기방사: 고전압을 이용해 점성이 있는 고분자 용액을 길게 늘려줌으로써 1㎛ 보다 굵기가 작은 초극세섬유를 제조하는 방법이다.

 

  ○ 고속 회전에 의한 기계적 분쇄법을 이용해 탄소층을 벗겨낸 철-탄소섬유를 촉매로 활용한 결과, 기존 백금 촉매 대비 73% 수준의 산소 환원 반응 효율을 나타냈으며, 이는 기존의 비백금 촉매가 갖는 효율보다 성능이 1.7배 개선된 것이다.

 

□  이재영 교수는 “이번 연구 결과는 산소 환원 촉매 물질이 주로 금속 입자의 주변에 분포한다는 점을 밝히고 철-질소-탄소 계열의 촉매들의 형성 과정을 이해하기 위한 실마리를 제공했다는 점에서 의의가 있다”며 “향후 전기자동차와 신재생에너지와 연계된 중대형 에너지 저장 시스템 상용화에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.      <끝>

 

 

홍보기금팀‧홍보전략부