다중금속합금촉매의 상대 융합비에 따른 전기전도도 및 에너지 레벨 예측 성공
3차원 코발트 나이오븀 옥사이드 (CoNb2O6) 나노큐브 구조체 위에 6:4 비율의 니켈은 (Ag0.6Ni0.4)을 적층한 고성능 2상 (dual-phase) 전기화학촉매 소재 합성
기존 Zn-Air (금속-공기) 2차 전지 충전 용량의 1.4배, 안정성 3.8배 이상으로 획기적으로 높여 
에너지·환경 분야 최상위 국제 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ 최신호 게재

모바일 전자기기, 전기 자동차 등 2차 전지의 응용 분야가 넓어짐에 따라 수요는 계속해서 증가하고 있다. 기존 리튬이온 기반의 2차 전지는 폭발 위험성과 충전용량 한계 등의 문제가 있는 반면, Zn-Air (금속-공기) 전지는 상대적으로 높은 에너지 밀도, 낮은 가격, 높은 안정성 등 여러 장점을 가지고 있어 기존 리튬이온 전지에 비해 우수한 2차 전지로 평가받고 있다.

하지만 Air 접촉면에 사용되는 탄소 양극은 효율적인 전기화학적 OER-ORR (산소 발생-산소 환원 반응)이 일어나지 않기 때문에 이를 고려한 새로운 고활성 촉매의 개발이 요구되어 왔다. 이에, 은과 니켈 금속은 뛰어난 전기화학 촉매 특성을 가지므로, 이를 다중 금속 합금으로 제조하여 그 물성을 극대화시켜 전지의 성능과 안정성을 동시에 높일 수 있는 연구의 필요성이 대두되고 있다.

동국대 융합에너지신소재공학과 발라 연구 교수 (제1저자), 권순철 교수 (교신저자) 연구팀은 순차적 수열 합성법을 적용하여 신규 3차원 금속산화물 나노큐브 구조체 (CoNb2O6, 코발트 나이오븀 옥사이드)위에 특정 비율로 합금된 다중금속합금 나노입자 (AgNi, 니켈은)를 적층하여 새로운 2상 (Dual-phase) 양극재 촉매소재를 개발하는데 성공했다.

권 교수 연구팀은 AgNi 다중금속합금 촉매의 상대 융합비가 전기전도도 및 에너지 레벨 조절에 큰 기여를 할 수 있다는 점에 착안하여, 밀도 범함수 이론을 기반으로 한 “가상 결정 근사” (Virtual Crystal Approximation, VCA)를 수행했다. 그 결과 은과 니켈의 상대 융합비가 6:4 가 될 경우 최대 전기 전도도 (σ)는 ~ 2 × 107 S•cm-1 , 일함수 (work function)은 -5.4 eV 에 도달할 수 있는 것으로 예측됐다.
 

이 정보를 바탕으로 OER 역할 담당할 수 있는 3차원 나노큐브 구조체 (코발트 나이오븀 옥사이드, CoNb2O6)를 수열 합성했고, 이 3차원 구조체 위에 다시 한 번 순차적 수열합성을 통해 ORR 역할을 담당할 수 있는 6:4 비율의 니켈은 금속다중합금 나노 입자를 균일하게 적층하여 신규 고성능 2상 촉매 소재를 개발하는데 성공했다.
 

특히, 이렇게 개발된 2상 촉매 소재는 기존 탄소 양극재의 기공에 흡착되어 반응 표면적을 넓히고, 전자, 이온, 물질 전달을 원활하게 하여 기존 탄소 전극 대비 높은 촉매 활성 및 Zn-Air (금속-공기)전지의 성능을 보였다. 특히, 2상 촉매소재를 사용한 Zn-Air 전지는 충전용량 806.8 mAhg-1을 달성했으며, 이는 단일 금속산화물 촉매를 사용한 Zn-Air 전지 576.6 mAhg-1 대비 1.4배 이상 증가된 수치이다. 또한, 효율적이고 균형적인 OER-ORR 반응을 통해, 2상 촉매 Zn-Air 전지의 충방전 성능은 587시간으로서, 단일 촉매를 사용한 전지 (156시간)에 비해 3.8배 이상 획기적으로 증가했다.

권순철 교수는 “이번 연구를 통해 금속다중합금 전기화학 촉매의 상대 융합비에 따른 전기적, 물리적 특성을 극대화 및 안정화 할 수 있는 기술을 완성했다. 이 기술을 통해 새로운 고성능 2상 전기화학적 촉매소재를 개발하는데 성공했고, 이는 기존 탄소 전극에 흡착하여 보다 넓은 표면적과 함께 효율적/균형적인 OER-ORR (산소발생-산소환원 반응)을 가능하게 하여, 초고성능/안정성의 차세대 Zn-Air 2차 전지를 구현한 것에 의미가 있다”며 “개발된 2상 촉매를 포함한 탄소 전극은 파우치 셀 타입에서도 160시간동안 안정적으로 운용이 되기 때문에, 차세대 박막형 또는 플렉서블 2차 전지 상용화에 한걸음 더 다가갈 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.

이번 연구결과는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 창의도전연구지원사업 지원 등으로 수행됐으며, <High-performance rechargeable metal–air batteries enabled by efficient charge transport in multielement random alloy electrocatalyst>라는 제목으로 에너지·환경 분야 최상위 국제 학술지 「Applied Catalysis B : Environmental」(IF=24.319) 」 2023년 3월 14일 온라인에 게재됐다.  

< “가상 결정 근사 (VCA)” 방법을 이용한 AgNi (니켈은) 다중금속합금 촉매의 융합비에 따른 에너지 레벨과 전기전도도 특성 예측>
(a) Ag 와 Ni의 상대 융합비에 따른 결정구조 변화 예측, (b), (c), (d) Ag와 Ni의 상대 융합비에  따른 각각 일함수, 전기전도도, 자기모멘트 변화 예측.

* 본 자료와 관련된 문의는 동국대학교 권순철 교수 (02-2260-3678, kwansc12@dongguk.edu)에게 해주시기 바랍니다.