강정구 교수 연구팀, 산소 환원-산소 발생-수소 발생에 효과적인 그래핀 기반 3차원 복합 구조체 기존 배터리 比 5배 높은 에너지밀도·높은 출력 특성‧반복적인 충·방전 조건서 장시간 구동
  • ▲ KAIST 신소재공학과 강정구 교수 연구팀.ⓒKAIST
    ▲ KAIST 신소재공학과 강정구 교수 연구팀.ⓒKAIST
    KAIST 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 우수한 성능의 아연-공기전지 기반의 자가발전형 수소생산시스템을 개발했다.

    22일 KAIST에 따르면 공기전지는 일차 전지 중 하나로 공기 중 산소를 흡수해 산화제로 사용하는 전지이며, 수명이 긴 것이 장점이지만 기전력이 낮은 것이 단점이다.

    수소(H2)는 고부가가치 물질 합성의 원료로 기존 화석연료(휘발유, 디젤 등) 대비 3배 이상 높은 에너지밀도(142MJ/㎏)를 지녀 청정 연료로 주목받고 있다. 그러나 현재 수소 생산 방식 대부분 이산화탄소(CO2)를 배출하는 문제가 있다. 

    그린 수소생산은 태양전지, 풍력 등 신재생에너지를 동력원으로 물을 분해해 수소의 생산이 가능하나, 신재생에너지 기반의 동력원은 온도, 날씨 등에 영향을 받아 불규칙한 발전량에 따른 낮은 물 분해 효율을 보인다. 

    이를 극복하기 위해 물 분해를 통한 수소생산에 충분한 전압(1.23V 이상)을 방출할 수 있는 공기전지가 동력원으로 주목받고 있지만, 충분한 용량 구현을 위해 귀금속 촉매를 사용해야 하고, 장시간 충·방전 시 촉매 소재의 성능이 급격히 저하되는 한계가 있다. 

    이에 물 분해반응(산소 발생, 수소 발생)에 효과적인 촉매와 반복적인 아연-공기전지 전극의 충·방전 반응(산소 환원, 산소 발생)에 안정적인 물질의 개발이 필수적이다.

    이에 강 교수 연구팀은 산화 그래핀에 성장시킨 나노 크기의 금속-유기 골격체를 활용해 3가지 다른 촉매반응(산소 발생-수소 발생-산소 환원)에 모두 효과적인 비귀금속 촉매 소재(G-SHELL)의 합성법을 제시했다. 
  • ▲ KAIST 신소재공학과 강정구 교수팀이 개발한 아연-공기전지 기반의 자가발전형 수소생산시스템.ⓒKAIST
    ▲ KAIST 신소재공학과 강정구 교수팀이 개발한 아연-공기전지 기반의 자가발전형 수소생산시스템.ⓒKAIST
    연구팀은 개발된 촉매 물질을 공기전지의 공기극 물질로 구성해 기존 배터리 대비 약 5배 높은 에너지밀도(797Wh/kg), 높은 출력 특성(275.8mW /cm²), 그리고 반복적인 충·방전 조건에서도 장시간 안정적인 구동이 가능함을 확인했다. 

    수용성 전해질로 구동돼 화재의 위험으로부터 안전한 아연-공기전지는 차세대 에너지 저장 장치로서 수전해 시스템과 연동시켜 수소생산을 위한 친환경적인 방법으로 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

    강 교수는 “낮은 온도, 간단한 방법으로 3가지 다른 전기화학 촉매반응에서 높은 활성도와 수명을 지닌 촉매 소재를 개발해 구현된 아연-공기전지 기반 자가발전형 수소생산 시스템은 현재 그린 수소생산의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것”이라고 말했다.

    KAIST 신소재공학과 김동원 박사과정과 김지훈 석사과정이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 융복합 분야(MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY)의 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 9월 17일 자에 게재됐다.