▲ 전북대학교 이중희 교수팀(나노융합공학과)이 세계 최고의 효율을 가진 차세대 고효율 아연-공기전지를 개발해 학계의 큰 주목을 받고 있다.(그림=전북대)  © 특허뉴스

전북대학교 이중희 교수팀이 세계 최고 효율의 차세대 아연-공기전지(Zn-Air batteries: ZABs)를 개발해 큰 주목을 받고 있다. 이 기술은 높은 에너지 밀도와 탁월한 안전성으로 차세대 전지 기술의 선두주자로 자리잡고 있으며, 기존 상업용 소재 대비 약 60배 저렴한 비용으로 실용화 가능성이 높아진 것이 핵심이다.

리튬이온전지보다 높은 에너지 밀도와 안전성

아연-공기전지는 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 월등히 높아 주목받고 있다. 리튬이온전지의 에너지 밀도가 200~300 Wh/kg인 반면, 아연-공기전지는 1,350 Wh/kg 이상의 에너지 밀도를 자랑하며, 화재 안전성이 뛰어나고 저렴한 제작 비용 덕분에 최근 많은 관심을 받고 있다. 아연-공기전지는 풍부한 자원을 활용해 친환경적이며 재활용이 용이한 특징도 지닌다.

그러나 상용화에는 몇 가지 걸림돌이 존재했다. 대표적인 문제는 전지 음극에서 발생하는 느린 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)으로 인해 전지의 수명이 단축되는 현상이었다. 이를 해결하기 위해 기존에는 고가의 백금이나 산화루테늄과 같은 귀금속 촉매를 사용했으나, 이로 인한 비용 상승과 자원 고갈 문제가 대두됐다.

고성능 양기능성 산소 전기촉매로 상용화 돌파구 마련

이에 전북대 연구진은 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 고성능 양기능성 산소 전기촉매를 개발해 이 문제를 해결했다. 연구팀은 금속붕화물 엠벤(MBene)을 박리해 이 위에 철 프탈로시아닌(FeMc) 분자를 균일하게 고정화한 공기 음극 전극(FeMc-MoAl1-xB)을 구현했다. 이 전극은 전자 상태를 개선해 산소환원반응과 산소발생반응의 속도를 동시에 향상시키는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 아연-공기전지는 168 mW/cm²의 높은 피크 전력 밀도를 기록했으며, 고농도 전해질 환경에서도 800시간 이상 우수한 충·방전 내구성을 보였다. 이러한 성과는 차세대 아연-공기전지의 상용화를 가속화할 수 있는 중요한 기술적 진전을 의미한다.

실용화와 산업에 미칠 파급효과

이번 연구는 에너지 밀도, 안전성, 비용 절감이라는 난제들을 모두 해결한 기술로, 차세대 전지 산업에서 중요한 돌파구가 될 것으로 기대된다. 연구를 이끈 이중희 교수는 “이번에 개발된 아연-공기전지 음극소재는 상업용 소재 대비 약 60배 저렴해 실용화 가능성이 매우 높다”며, “산업계와 협력을 통해 조기 상용화를 목표로 할 것”이라고 밝혔다.

이 연구는 전북대 나노융합공학과 남성웅 석사과정 학생이 주도했으며, 결과는 에너지 소재 분야의 세계적 학술지 Energy & Environmental Science에 게재됐다. 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었으며, 차세대 전지 개발 분야에 큰 파장을 일으킬 것으로 보인다.