- 차세대 이차전지 기대주 ‘아연공기 전지’ 한계 극복의 지렛대 역할 전망

- 태양전지·반도체 계면 특성 응용한 p-n 접합구조 광활성 복합촉매 개발

대기 중 산소와 아연의 화학 반응을 통해 전기를 생산하는 아연공기 전지는 향후 리튬이온배터리를 대신해 폭발적인 전기차 수요를 감당할 차세대 후보군으로 평가받고 있다. 

이론상 높은 에너지 밀도, 낮은 폭발 위험성, 오염물질을 배출하지 않는 친환경성, 자연에서 쉽게 얻을 수 있는 아연과 공기를 사용하는 저렴한 소재 비용 등 차세대 이차전지에 요구되는 특성들을 두루 갖추고 있기 때문이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이중기 박사 연구팀이 이차전지 분야의 새로운 연구개발 영역으로 부상 중인 태양에너지를 활용해 아연공기 전지의 전기화학적 성능을 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다.

KIST 연구진이 개발한 태양광의 빛 흡수율을 높인 반도체 구조의 광활성 복합촉매

연구진이 개발한 전지는 에너지준위가 서로 엇갈리는 반도체 구조의 광활성 복합촉매를 활용하여 전력이 발생하는 산소 환원과 생성 반응의 속도를 크게 향상시킨 것이다. 

광활성 복합촉매는 빛에너지를 흡수해 화학 반응을 촉진시키는 화합물로 기존 아연공기 전지 촉매보다 빛 흡수율을 높인 것이다.

KIST 연구진이 태양광 시스템을 비춰 개발한 광활성 복합촉매의 효율을 테스트하고 있다.

금속과 공기를 전지의 음극과 양극으로 사용하는 아연공기 전지에서 양극활물질인 산소의 전기 에너지 변환을 위해서는 촉매반응의 일종인 산소 생성 반응과 산소 환원반응이 교대로 이뤄져야 한다. 

따라서 탄소 물질로 구성된 양극 집전체의 촉매 활성도가 아연공기 전지의 에너지 밀도와 전체 전지 효율을 결정 짓는 중요한 요소가 된다.

광활성 양극활물질 CZ(g-C3N4/CuZIF-67 복합촉매)의 수열 합성 과정 및 투과전자현미경을 통한 형상과 원소 분포 이미지.

이에 따라 KIST 연구진은 아연공기 전지의 느린 촉매반응 개선책으로 태양전지와 반도체의 기본 구성단위인 p-n 접합에 주목했다. 

전자의 이동이 발생하는 반도체 계면 특성을 이용해 산소 생성-환원 과정을 가속화시키고자 한 것이다. 이를 위해 n형 반도체(흑연질의 질화 탄소, g-C3N4)와 p형 반도체[구리가 도핑된 ZIF-67(Zeolitic Imidazolate Framework-67), CuZIF-67]의 이종접합 밴드갭 구조를 가진 양극 소재를 합성했다.

광활성 복합촉매(CZ) 기반의 아연공기 전지의 2mAcm-2 전류밀도 조건에서의 1000 사이클 장시간 충·방전 전압 곡선. (삽화: 2개의 CZ 기반의 아연공기 전지가 직렬 연결된 LED 스크린)

또한 에너지 준위가 엇갈리는 p-n 반도체 접합구조 광활성 복합촉매의 상용화 가능성을 확인하기 위해 빛이 없는 실제 환경과 같은 조건에서 진행한 프로토타입 배터리 실험에서 기존 아연공기 전지의 최고성능과 유사한 731.9mAhgZn-1의 에너지 밀도를 보였다. 

태양광이 있을 때는 약 7%가량 증가된 781.7mAhgZn-1의 에너지 밀도와 우수한 사이클 성능(334시간, 1,000 사이클)으로 기존에 알려진 촉매들 가운데 가장 우수한 성능을 보였다.

(좌)렌렌 박사(제1저자)와 (우)에너지저장연구센터 이중기 박사(교신저자)가 아연공기 전지의 성능을 높인 광활성 복합촉매의 효율을 테스트하고 있다.

KIST 이중기 박사는 “태양에너지의 활용은 이차전지의 전기화학적 성능향상은 물론 지속 가능한 사회 실현에서도 중요한 부분”이라며, “이번 광활성 복합촉매 제조기술이 리튬이온배터리의 대안으로 부상하고 있는 금속공기 전지의 난제 해결뿐만 아니라 반도체 물리와 전기화학의 새로운 융합 기술 발전을 자극하는 촉매가 되기를 바란다”고 밝혔다.

본 연구는 KIST 주요 사업과 한국연구재단 브레인풀(Bain pool)사업 등을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 저널인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ (IF : 19.503, JCR 분야 0.926%) 최신 호에 게재되었다.

* 논문명: Photoactive g-C3N4/CuZIF-67 bifunctional electrocatalyst with staggered p-n heterojunction for rechargeable Zn-air batteries

- (제1저자) 한국과학기술연구원 렌렌 박사후연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 이중기 책임연구원

< 연구자 이력 >

Ren Ren 박사(제1저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구소 에너지저장연구센터 박사후연구원 ○ 전화: 02-958-5257 / 010-7612-8896 ○ e-mail: ren@kist.re.kr
이중기 박사(교신저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구소 에너지저장연구센터 책임연구원 ○ 전화: 02-958-5252 / 010-8717-0978 ○ e-mail: leejk@kist.re.kr