스마트 전자기기와 전기자동차 보급 확대로 에너지저장시스템(ESS)의 중요성이 더욱 부각되고, 리튬이온전지(LIB)의 활용성도 크게 확장되고 있다.
그러나 리튬이온은 열폭주 등 안전성 문제와 더불어 소재 고갈과 개발과정에서 환경파괴 등이 근본적 문제로 남아 있다.
이런 가운데 KAIST가 화재에서 안전하고 제조단가도 저렴한 고밀도·고출력 아연-공기 배터리를 개발해 주목받고 있다.
아연-공기 배터리는 자연에서 쉽게 구할 수 있는 아연금속과 공기를 사용하면서도 기존 배터리 대비 5배 높은 에너지밀도에 고속충전도 가능해 차세대 ESS로 기대를 모으고 있다.
그러나 상용화 수준의 고성능을 구현하려면 백금이나 이리듐의 고비용 촉매를 대체해야 하고, 더불어 고출력을 제한하는 계면구조를 해결해야 한다.
안전·저비용·고효율 아연-공기 배터리
KAIST 신소재공학과 강정구 교수팀이 연세대 한병찬 교수, 경북대 최상일 교수, 성균관대 정형모 교수팀과 공동연구로 인공지능(AI)을 활용해 아연-공기 배터리의 이종기능 전기화학 촉매를 개발했다.
이종기능은 충전 증 산소를 발생하고, 방전 때는 산소를 환원하는 기능이다.
공동연구팀은 AI로 양자역학 기반 계면모사 전용 기계학습힘장을 개발하고, 이를 기반으로 계면에서 복잡한 원자구조와 산소환원(ORR) 및 산소발생(OER) 메커니즘을 규명했다.
아울러 연구팀은 아연금속-공기 배터리에 사용할 저렴한 전이금속산화물 이종접합 촉매물질을 개발했다. 이 촉매물질은 아연-공기 배터리에 사용하면 귀금속 기반 촉매보다 높은 활성도 및 안정성을 보였다.
연구팀은 개발한 이종기능 촉매를 활용해 아연-공기 완전셀을 구성, 고성능 에너지저장소자를 구현했다. 구현한 아연-공기 배터리는 상용 리튬이온배터리를 뛰어넘는 에너지밀도를 가지면서도 저렴한 원료 소재와 안전성까지 갖춘 것이 특징이다.
강 교수는 “이번에 개발한 전이금속 산화물 기반 차세대 촉매소재는 가격 경쟁력과 더불어 높은 활성도를 지녀 아연-공기 배터리 상용화에 기여할 전망”이라며 “중소형 전력원은 물론 향후 전기자동차 등으로 활용 범위가 확대될 것으로 기대한다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 최종휘 박사과정이 주도했고, 연구결과는 국제학술지 `에너지 스토리지 머터리얼스(Energy Storage Materials)' 지난 1월 14일자에 게재됐다.
(논문명 : Zeolitic imidazolate framework-derived bifunctional CoO-Mn3O4 heterostructure cathode enhancing oxygen reduction/evolution via dynamic O-vacancy formation and healing for high-performance Zn-air batteries https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104040)
