'구조적 변화 없이' 배터리·연료전지 성능 향상

'구조적 변화 없이' 촉매 주변 전기장을 활용해 배터리와 수소연료전지 등의 전기 생산 효율을 높이는 기술이 고안됐다. 흡사 '요리 도구 자체는 그대로 활용하면서 주방 환경을 조절해 요리의 맛을 살리는' 방식으로, 주변 온도·공기 흐름을 정교하게 조절해 음식이 잘 익도록 하는 게 핵심이다.

(왼쪽부터) KAIST 황승준 교수, 서울대 류재윤 교수. KAIST

KAIST는 화학과 황승준 교수팀과 서울대 화학생물공학부 류재윤 교수팀이 배터리·연료전지 내부에서 전기를 만드는 핵심 반응의 효율을 높일 '촉매 설계 전략'을 제시했다고 1일 밝혔다.

촉매는 금속과 금속 주변을 둘러싼 분자 구조로 형성돼 보다 빠르고 효율적인 화학 반응을 유도한다. 배터리·연료전지에서 촉매는 전기를 만드는 반응을 원활하게 하는 역할을 한다.

그간에는 촉매 반응 성능을 높이기 위해 금속 종류를 철(Fe) 대신 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)로 바꾸거나, 금속 주변의 분자 구조(리간드)를 새롭게 설계했다. 촉매 자체의 재료, 형태를 바꿔 반응이 잘 이뤄지도록 하는 방식이다.

하지만 공동연구팀은 촉매 자체를 바꾸지 않고도 촉매 주변의 전기적 환경을 조절해 성능을 높이는 전략을 제시했다. 촉매 자체를 새로 만드는 게 아니라, 촉매 주변의 전기적 환경을 조절해 반응의 효율성을 높이는 전략이다.

연구 과정에서 공동연구팀은 촉매 주변에 '양이온(+)'을 배치해 미세 전기장을 만들면, 전기를 만드는 데 필요한 반응을 안정적으로 유도할 수 있음을 확인했다.

이때 원하는 반응이 일어나는 비율은 기존 12%에서 최대 52%까지 높아졌다. 이는 적은 에너지로도 원하는 반응을 효율적으로 유도할 수 있다는 것을 방증한다.

이를 통해 배터리와 수소연료전지의 효율·수명·안정성 동시에 높일 수 있을 것으로 공동연구팀은 내다본다.

AI 생성 이미지. KAIST

연구에서 다룬 산소 환원 반응은 산소가 전자를 받아 전기를 만드는 핵심으로, 수소차용 연료전지(·수소와 산소의 화학 반응으로 전기를 생산하는 장치)와 금속-공기 전지(금속과 공기 중 산소를 이용해 전기를 저장·생산하는 차세대 배터리) 등 차세대 에너지 장치에서 전기를 생산하는 과정의 근간이 된다.

특히 공동연구팀은 새로 개발한 촉매 설계 전략이 이산화탄소와 수소를 다른 유용한 물질로 전환하는 촉매 기술에 적용될 수 있다는 점을 들어 향후 이산화탄소 저감 기술과 친환경 수소 생산 기술 등 차세대 에너지 촉매 개발 과정으로 활용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대한다.

황 교수는 "이번 연구는 촉매 자체의 구조를 바꾸지 않고, 주변 전기적 환경만으로 촉매 반응 특성을 정교하게 제어할 수 있음을 확인케 한다"며 "연구 결과가 향후 차세대 배터리와 연료전지, 친환경 에너지 촉매 기술 개발에 새로운 방향성을 제시할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 POSTECH 화학과 조휘율·강봄 박사과정생과 KAIST 김동영 박사후연구원이 공동 1저자로 참여했다. 연구 성과는 최근 미국 화학회지 'JACS(Journal of the American Chemical Society)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr