동국대 융합에너지신소재공학과 발라 연구교수(제1저자), 권순철 교수(교신저자) 연구팀(이하 연구팀)은 순차적 수열 합성법을 개발해 2차원 금속산화물 나노구조체 (NiV2O6, 니켈 바나듐 옥사이드)위에 다중금속합금 나노입자 (AgMn, 망간은)를 적층, 새로운 2상 (Dual-phase) 양극재 촉매소재를 개발하는데 성공했다. 

연구팀은 개발된 2상 촉매소재를 탄소양극제에 첨가해 뛰어난 전기전도도와 함께 충전용량이 1.7배, 충·방전 안정성이 1.5배 이상 증가한 Zn-Air (금속-공기) 2차전지를 개발했다.

모바일 전자기기, 전기 자동자 등 2차전지의 응용분야가 넓어짐에 따라 수요는 지속적으로 늘어나고 있지만, 기존 리륨이온 기반의 2차 전지는 폭발 위험성, 충전용량의 한계성 등 반드시 해결 해야할 과제를 가지고 있다. 반면 Zn-Air (금속-공기)전지는 기존 리튬이온전지에 비해 상대적으로 높은 에너지 밀도, 낮은 가격, 높은 안정성 등 여러 장점을 가진 2차전지로 평가받고 있다. 하지만, Air 접촉면에 사용되는 탄소 양전극은 효율적인 전기화학적 OER-ORR (산소발생-산소환원 반응)이 일어나지 않기 때문에 충·방전이 잘 되지 않는 문제점이 있었다. 특히,  OER과 ORR 반응이 균형을 이루어 충·방전이 될 때 Zn-Air (금속-공기)전지의 성능 및 안정성이 높아지기 때문에, 이를 고려한 새로운 고활성 촉매 개발이 요구되어 왔다.  

이를 해결하기 위해, 연구팀은 우선 수열합성 최적화를 통해 OER 역할 담당할 수 있는 표면적이 극대화된 금속산화물 2차원 구조를 완성했다. 이 2차원 구조체 위에 다시 한 번 수열합성을 통해 ORR 역할을 담당할 수 있는 금속다중합금 나노 입자를 균일하게 적층하여 2상 촉매 소재를 개발하는데 성공했다. 이렇게 개발된 2상 촉매 소재는 기존 탄소 양극재의 기공에 흡착되어 반응 표면적을 넓히고, 전자, 이온, 물질 전달을 원활하게 하여 기존 탄소 전극 대비 높은 촉매 활성 및 Zn-Air (금속-공기)전지의 성능을 보였다. 

특히, 2상 촉매소재를 사용한 Zn-Air 전지는 충전용량 795.3 mAhg-1 을 달성했으며, 이는 단일 금속산화물 촉매를 사용한  Zn-Air 전지461.2 mAhg-1 대비 1.7배 이상 증가된 수치이다. 또한, 효율적이고 균형적인 OER-ORR 반응을 통해, 2상 촉매 Zn-Air 전지의 충·방전 성능은 147시간으로서, 단일 촉매를 사용한 전지 (95시간)에 비해 1.5배 이상 증가했다.

동국대 권순철 교수는 “이번 연구로 순차적 수열 합성 기술을 완성해 새로운 2상 전기화학적 촉매소재를 개발했다. 이를 기존 탄소 전극에 흡착해 보다 넓은 표면적과 함께 효율적이고 균형적인 OER-ORR (산소발생-산소환원 반응)을 가능하게 했다. 고성능 고 안정성의 차세대 Zn-Air 2차 전지를 구현한 것에 의미가 있다”며 “개발된 2상 촉매를 포함한 탄소 전극은 높은 전기전도도와 함께 안정적이기 때문에 다른 종류의 전기화학장치 뿐 아니라, 차세대 박막형 페로브스카이트 태양전지 또는 유기물 태양전지 전극 등 다양한 전자 소자에 활용될 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.

이번 연구결과는 한국연구재단 중연연구자 지원사업 (NRF-2021R1A2C4001904) 및 창의도전연구기반지원 사업 (NRF-2022R1I1A1A01072238)의 지원을 받아 수행됐으며 < Hydrothermally Grown Dual-Phase Heterogeneous Electrocatalysts for Highly Efficient Rechargeable Metal-Air Batteries with Long-Term Stability>라는 제목으로 재료 분야 저명 국제 학술지 「Advanced Science (IF = 17.521)」 22년 9월 14일 온라인에 게재됐다.

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