연세대(총장 서승환)는 신소재공학과 심우영 교수 연구팀이 촉매 없이도 구동이 가능한 대용량 알루미늄공기전지를 개발했다고 26일 밝혔다.
이번 연구로 안전한 알루미늄 기반 전지를 실현하기 위한 간단하고 경제적 접근법이 학문적으로 제시됐다.
금속공기전지의 일종인 알루미늄공기전지는 높은 이론 용량과 더불어 알루미늄의 풍부함, 낮은 가격, 안전성 등 장점을 가져 차세대 전지 시스템 중 하나로 주목받고 있다. 그러나 알루미늄공기전지는 환원극에서 일어나는 산소 환원 반응이 느린 편에 속해 전지 출력을 제한한다는 단점이 있다. 이를 향상시키기 위해 일반적으로 촉매를 사용하는데, 대부분 촉매는 가격이 매우 비싸다. 결국 경제성 측면에서 리튬이온전지에 비해 우위에 있다는 알루미늄공기전지 장점을 살리기가 어려웠다.
연구팀은 산소 환원 반응이 일어나는 삼상계면(Triple-phase boundary) 밀도를 높여 촉매 없이도 반응속도를 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 환원극으로 사용한 스파크 반응을 통해 환원된 산화그래핀은 다양한 사이즈의 기공을 포함해 사용하는 전해질의 양을 조절함으로써 삼상계면의 밀도를 제어할 수 있다. 최적의 전해질 양을 사용해 전지 성능을 극대화할 수 있게 된다.
이번 연구에서 구현된 삼상계면 밀도 제어를 이용한 접근법은 알루미늄공기전지 성능 향상에 크게 기여할 것으로 보인다. 삼상계면 밀도 향상은 반응이 일어나는 면적을 물리적으로 확장시키는 것이기 때문에, 적절한 촉매와 함께 사용할 시 더욱 큰 성능 향상을 기대할 수 있다. 알루미늄공기전지에서 일반적으로 사용되던 염기성 전해질이 아닌 중성 전해질을 사용함으로써 충격에 의한 전해질 유출과 같은 상황에서도 안전성을 확보할 수 있다.
심우영 교수는 “이 연구는 산소 환원 반응을 촉진시키기 위한 촉매 개발에 초점을 맞추던 기존 연구들과 달리, 삼상계면 밀도 제어를 통해 반응성을 향상한 연구”라며, “향후 안전성이 보장된 대용량 알루미늄공기전지 시스템에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.
이 연구는 국방과학연구소 순수기초연구사업 지원으로 수행됐으며, 재료분야 국제학술 권위지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)에 16일 온라인 게재됐다.
김명희기자 noprint@etnews.com
