아연공기 2차 전지의 상용화 위한 핵심기술 개발에 성공

심욱 한국에너지공과대학교 교수의 행보가 화제다. 에너지 생산, 전환, 저장을 위한 촉매 개발을 연구를 수행해온 심욱 교수는 촉매 반응의 정확한 기본 메커니즘을 이해하며, 에너지 변환 효율을 높이기 위해 전극, 촉매 및 전해질과의 계면에서 일어나는 현상을 이해하기 위한 노력을 기울여 왔다.

황인상 기자 his@

심욱 교수는 촉매 개발과 더불어 수소를 포함한 지속 가능한 에너지 시스템을 구축하기 위하여 (광)전기화학 반응에 의해 생산되는 신재생에너지 연구, 개발에 주력하고 있는 중이다. 전 지구적 기후변화에 대응하기 위하여 국제사회의 노력이 가속화되고 있는 지금, 저도 기후변화에 적극 대응할 수 있는 연구 개발에 박차를 가하고 있는 심욱 교수를 만나 자세한 얘기를 들었다.

기존 충·방전 효율 낮았던 아연공기 전지의 한계 극복
최근 심욱 교수팀은 리튬이온 2차전지의 대안 중 하나로 각광받는 아연공기전지의 양극 소재와 친환경 수소, 산소 생산에 사용되는 수전해 시스템의 음극, 양극 소재에 동시 사용 가능한 다기능성 코발트망간산화물 전극을 개발하여 관련 연구 성과를 발표해 화제를 모으고 있다. 현재 전기차 및 소형기기에 가장 널리 사용되는 리튬이온 이차전지는 많은 장점을 가진 반면 낮은 에너지 밀도, 높은 가격, 발화 위험성 등의 여러 가지 극복해야 할 요소를 가지고 있다. 심욱 한국에너지공과대학교 교수는 “이를 극복하기 위한 대안 중 하나로 에너지 밀도가 높고 비교적 저렴하며 발화 위험성이 적은 아연공기전지가 차세대 전지로 주목받고 있다”면서 “하지만 상용화에 있어서 충·방전 효율이 낮고, 수명이 짧다는 한계가 있어 2차 전지로서의 상용화를 위한 핵심 기술을 요구하고 있다”고 연구 배경을 밝혔다.

▲ 심욱 교수

최근 수소 산업의 성장으로 친환경 수전해 기술 또한 주목을 받고 있다. 하지만 백금, 이리듐과 같은 기존 수전해 기술에 사용되는 귀금속 촉매의 높은 비용으로 인해 다양한 비귀금속 기반 촉매 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 에너지 전환 및 저장용 전극의 상용화 가능성을 높이기 위해서는 제작 비용을 절감할 수 있는 단일 공정의 다기능성 전극 제작이 절실한 상황이다. 이에 심욱 교수팀은 전이금속 전구체와 요소, 탄소 섬유를 수열 합성법을 이용해 동시에 반응시켜 탄소 섬유 위에 코발트망간산화물 전극 소재를 곧바로 성장시킬 수 있었다.

심욱 교수는 “손쉬운 방식으로 합성된 이 촉매는 표면적이 넓은 다각형 형태로서 고분자 결합제를 사용하지 않고 전극에 바로 올라가는 형태라 전도성이 매우 우수하다”면서 “본 촉매를 로딩한 전극을 아연공기전지의 양극에 사용하여 산소 산화/환원 반응 효율을 극대화 시켰고, 이를 통해 기존에 충·방전 효율이 낮았던 아연공기전지의 한계를 극복하고 500회 이상의 충·방전 테스트에서도 성능이 감소하지 않는 결과를 확보할 수 있었다”고 강조했다. 심 교수팀이 개발한 아연공기 2차 전지는 플렉서블하여 웨어러블 디바이스에도 적용이 가능할 것이라 예측되면서, 기존의 리튬이온 2차 전지 시장을 대체할 새로운 전지로 사용할 수 있을 것으로 평가받고 있다.

전기화학적 질소 환원 반응용 촉매의 개발 연구에 심혈
현재 심욱 교수는 액화수소의 문제점을 보완할 수 있는 방안으로 떠오른 암모니아에 주목하고, 수소를 암모니아로 저장 및 운반하고 다시 암모니아에서 수소를 추출하는 방식 (암모니아 산화 반응)도 중점적으로 연구를 수행하고 있다. 일반적으로 물을 분해하여 수소를 생산하기 위해서는 많은 전력이 소모되는데, 생산한 수소를 액화/저장하고, 운송하는 부분에서도 극복해야할 많은 이슈가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 액상 암모니아를 수소 저장 물질로 사용하는 것이다. 기존 암모니아 합성법을 대체하여 공기 중 질소를 전기화학적으로 환원하여 암모니아를 합성하는 방법이 대두되고 있다. 이에 심욱 교수도 다양한 전기화학적 질소 환원 반응용 촉매를 개발 연구도 수행 중이다. 심 교수는 “액상유기화합물 및 암모니아 형태로 수소를 저장하는 중요성을 인지하고 있음에도 불구하고 전 세계적으로 아직 경제성을 갖춘 액상수소화물을 통한 수소저장/운송 시스템이 개발되어 있지 않다”면서 “우리나라가 수소경제 선도국으로 발전하기 위해서는 이 분야의 원천기술개발 확보가 시급하다”고 피력했다.

한편 수전해용 비귀금속 기반 고엔트로피 합금촉매를 개발한 ㈜닐사이언스의 대표를 역임하고 있는 심 교수는 촉매 제조 기술 및 스택 부품 설계 기술에 대한 노하우를 바탕으로 다양한 과제를 수행하며 주력 제품을 생산하기 위한 연구 개발을 진행하고 있다. 현재는 5종 이상의 원소를 포함하는 단상 결정질 합금으로 다양한 활성점을 갖는 고효율 촉매인 고엔트로피 합금 촉매를 탑재한 수전해 스택 개발에 집중하고 있다. 심 교수는 “고엔트로피 합금 촉매는 5개의 주요 원소의 장점을 모두 갖는 합금 촉매이며, 현재 수소 생산 상용촉매인 Pt/C와 성능을 비교하였을 때 성능이 더욱 우수함을 확인했다”면서 “귀금속을 미량 사용하여 기존 백금 촉매 대비 가격을 88% 절감하여 대규모 수전해 설비에 적용할 수 있도록 노력을 기울이고 있는 중이다”고 설명했다.

아울러 “단기적으로는 수전해/연료전지용 촉매를 시작으로 향후 수소 발생 전해 장비 생산을 해나갈 것”이라며 “수전해 실증사업 참여를 통한 활용 계획을 가지고 개발을 진행 중이다. 이를 통해 수전해 보급화, 수소 경제 확장과 신재생에너지 정책에 기여함은 물론 국내 우수인재 양성 및 일자리 창출을 목표로 하고 있다”고 강조했다. 이어 “수소의 방향성이 ‘Power to Everything’으로 가고, 수소법이 통과된 만큼 저 또한 비전을 더 크게 잡고 수소경제에 기여하겠다”면서 “관련부처에서도 ‘수소로 모든 에너지를 대체하자’는 목표를 세우고, 수소혁명이 새로운 산업을 일으킬 수 있도록 힘써 주기를 바란다”고 촉구했다. NM