이차전지 전극 촉매에 ‘식물 뿌리 디자인’ 적용하니 용량‧효율 ‘쑥’

- 부경대 고민성 교수팀, 고 내구성 흑연 전극 촉매 개발 … 국제학술지 논문 게재

차세대 이차전지용 전극의 촉매에 ‘식물 뿌리 디자인 전략’을 적용해 높은 내구성을 확보한 연구 결과가 나와 관심을 끈다.

국립부경대학교 고민성 교수(금속공학전공) 연구팀은 미국 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory) 장해성 박사와 탄소나노튜브(Carbon nanotube)를 활용한 고 내구성의 흑연 전극 촉매 개발에 성공했다고 30일 밝혔다.

최근 화재 위험성이 없는 수계 에너지저장장치 ‘바나듐 레독스 흐름전지’가 차세대 이차전지로 주목받고 있는데, 이 전지의 고수명‧고용량 확보를 위한 설계 연구가 주요 관심사다.

바나듐 레독스 흐름전지는 높은 에너지 밀도를 달성하기 위해 비싼 귀금속이나 전이금속 산화물 등을 전극 촉매로 활용하는데, 산 전해액 유동에 의한 지속적인 마찰 때문에 전극 표면과 촉매 물질에 부식 및 손상이 발생하는 문제가 있다.

고민성 교수 연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 전극 촉매에 식물 뿌리 디자인 전략을 적용했다. 식물 뿌리가 땅에 단단히 박혀 있는 것처럼, 탄소나노튜브를 흑연 전극 내부의 카본 지지체에 심는 합성 공정을 제시한 것.

연구팀은 흑연 전극과 니켈 촉매 사이의 환원을 이용해 니켈 나노 입자가 전극 내부로 파고들도록 하고, 탄화수소 가스를 활용해 전극 내부에서부터 탄소나노튜브가 성장하도록 유도했다.

연구팀이 개발한 탄소나노튜브 촉매 적용 복합전극은 레독스 흐름 전지 특유의 산성 전해액 환경과 전해액의 유동으로부터 높은 내구성을 확인했다. 촉매가 식물 뿌리처럼 견고하게 지지 되면서 화학반응이 원활해진 것이다.

실험 결과 이 전극은 기존 흑연 전극 대비 용량성능이 40%(전류밀도 조건= 50 mA·cm-2) 향상됐고, 86.9%의 높은 에너지 효율을 달성한 것으로 나타났다.

고민성 교수는 “식물 뿌리와 같은 디자인은 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 방식을 활용하면 비교적 쉽게 합성할 수 있어 바나듐을 제외한 다양한 수계 흐름 전지에도 안정적으로 적용이 가능할 것으로 기대한다.”라고 말했다.

한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구는 탄소 재료 분야의 국제학술지인 <카본Carbon)>(IF=11.307)에 최근 게재됐다.

※ 붙임: 1. 식물 뿌리와 같은 흑연 전극 합성 모식도. 2. 고민성 교수(왼쪽 아래)와 연구팀 사진.