전북대 연구진, 세계 최고 효율 ‘아연·공기전지’ 개발 -높은 전력 밀도, 우수한 충·방전 내구성에도 기존 상업용보다 60배 저렴

 

최근 높은 에너지 밀도와 저렴한 제작 비용, 뛰어난 화재 안전성 덕분에 아연-공기전지(Zn-Air batteries: ZABs)r가 많은 관심을 받고 있는 가운데, 전북대학교 이중희 교수팀(나노융합공학과)이 세계 최고의 효율을 가진 차세대 고효율 아연-공기전지를 개발해 학계의 큰 주목을 받고 있다.

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

하지만 음극에서 발생하는 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)의 느린 속도때문에 백금이나 산화루테늄 같은 고가의 귀금속이 이 반응의 촉매로 사용되고 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 전극을 구현했다. 3단계 공정을 통해 제작한 이 전극은 독특한 전자 상태를 형성해 산소반응 속도와 산소환원반응 속도를 동시에 향상시켰다.

이번 연구 결과는 에너지 소재분야의 세계적 최우수 학술지인 『Energy & Environmental Science』(IF: 32.4, JCR: 상위 0.5%)에 개재됐으며, 관련 산업 분야에 큰 파급효과를 미칠 것으로 기대된다.

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. /김윤상 기자