| 신기술 2 / KAIST, AI로 화재 없는 고효율 아연-공기 배터리 촉매 개발 | |
| 2025-08-11 | |
 KAIST, AI로 화재 없는 고효율 아연-공기 배터리 촉매 개발 활성도 높은 전이금속산화물 이종접합 촉매 물질 개발 한국과학기술원(KAIST) 강정구 신소재공학과 교수팀이 최근 한병찬 연세대 교수팀, 최상일 경북대 교수팀, 정형모 성균관대 교수팀과 인공지능(AI) 기반 이종기능 전기화학 촉매 및 고효율 아연-공기 전지를 개발했다. 해당 전지의 이종기능은 충전 중 산소 발생 및 방전 중 산소 환원 기능을 말한다. 연구팀은 개발한 이종기능 촉매를 활용해 아연-공기 완전셀을 구성해 고성능 에너지저장 소자를 구현하는데 성공했다. 정리 편집부 참조 KAIST  휴대기기, EV 및 전력저장장치 등 응용 분야가 확대됨에 따라 이차전지의 수요가 증가하고 있지만, 현재 대중적으로 사용되고 있는 리튬 이차전지는 화재에 취약한 단점 때문에 안정성 문제가 꼭 해결해야 할 과제로 꼽힌다. 아연-공기(Zn-air) 전지는 리튬전지와 비교해 높은 에너지 밀도, 저렴한 가격, 안정성 등의 장점을 가지는 것으로 평가되고 있다. 공기 중의 산소와 아연 금속을 사용하여 전기를 생산하는 이차전지 기술로, 폭발 위험이 없고 가격 경쟁력이 우수한 장점이 있다. 또한 음극에 사용되는 아연 금속, 양극에 필요한 공기가 자연에 풍부하기 때문에 소재 비용도 적다. 이론상 기존 리튬 이차전지보다 5배 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어, 차세대 전력원으로서 고에너지, 고안전성 전원이 요구되는 분야에 광범위하게 활용될 전망이다. ▷소형 : 휴대폰, 노트북, 보조배터리, 무선청소기, 블루투스 등 ▷중형 : 하이브리드/플러그인하이브리드 자동차, 전기자동차, 전기 스쿠터 등 ▷대형 : 에너지저장장치(ESS)  리튬이온 배터리 5배의 에너지 밀도 구현 고효율 아연-공기 전지를 구현하려면 충·방전 시 공기극(양극)에서 일어나는 산소 환원 및 발생 반응이 잘 일어나게 하는 촉매 설계가 필수적이다. 기존 상용 촉매는 백금이나 이리듐 등 값비싼 귀금속을 기반으로 했는데, 가격 경쟁력이 있으면서 활성도가 높은 새로운 촉매 물질 개발이 필요했다. 이에 연구팀은 귀금속 기반 촉매보다 활성도 및 안정성이 높으면서 비용이 저렴한 전이금속산화물 이종접합 촉매 물질을 개발했다. 더불어 AI를 활용한 기계학습 ‘힘장(Force Field)’을 개발해 계면 원자구조와 촉매 활성 메커니즘을 정확히 규명했다. 연구팀은 개발한 이종기능 촉매를 활용해 아연-공기 완전셀을 구성해 고성능 에너지저장 소자를 구현했다. 이런 아연-공기 전지는 기존 리튬이온 배터리를 넘는 에너지 밀도를 가졌다. 강정구 교수는 “이번에 개발한 차세대 촉매 소재는 가격 경쟁력과 더불어 높은 촉매 활성도로 아연-금속 공기 전지 상용화에 기여할 수 있다”며 “중·소형 전력원뿐만 아니라 향후 전기 자동차까지 활용 범위를 확대해 적용될 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업 미래기술연구실 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 지난 1월 14일(현지시간) 『에너지 스토리지 머터리얼스』에 게재됐다.  아연-공기 전지 기반 그린수소 생산 시스템도 개발 한편, 강정구 교수 연구팀은 지난해 10월 우수한 성능의 아연-공기 전지를 기반으로 자가발전형 그린수소 생산 시스템도 개발한 바 있다. 그린수소는 신재생에너지 전력을 이용해 수전해 방식으로 만들어 내는 수소다. 생산 과정에서 탄소를 배출하지 않아 ‘청정 연료’로 불리지만, 신재생에너지의 발전량이 불규칙해 물 분해 효율이 낮다는 한계가 있다. 연구팀은 산화 그래핀에 금속-유기 골격체(MOF)를 성장시켜 비(非) 귀금속 촉매를 개발했다. 이를 아연-공기 전지에 적용한 결과, 기존 전지보다 5배 높은 에너지 밀도를 보였으며, 반복적인 충·방전에도 장시간 안정적인 구동이 가능함을 확인했다. 이 연구성과는 국제 학술지 『어드밴스드 사이언스(Advanced Science)』 게재됐다.
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