[에너지산업신문]

한국에너지기술연구원 고온에너지전환연구실 김희연 박사 연구진은 연료전지 촉매 및 이차전지 전극 물질 표면에 다공성 그래핀쉘을 코팅하는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

연구진은 10여년간 연료전지 촉매와 이차전지 전극의 내구성 저하 문제를 근본적으로 해결하는 방법을 연구하는 데 집중해 이번 기술을 개발했다. 다공성 그래핀쉘을 ‘연료전지 전극용 백금’ 또는 ‘백금-전이금속 합금’ 촉매와 이차전지 전극용 실리콘산화물에 적용해 내구성을 200% 이상 향상시킬 수 있다.

기존 연구는 흠집이 없는 매끈한 그래핀을 만드는 데 집중했다. 하지만 김 박사 연구진은 오히려 고정관념을 깨고 다공성 그래핀에 집중했다. 다공성 그래핀을 금속 촉매의 표면에 코팅하면, 중간중간 구멍을 가진 그래핀 껍질의 신축성과 보호효과로 연료전지 및 이차전지 성능 저하를 막는 것을 확인했다.

그래핀은 탄소원자 한 개의 두께인 0.3nm(10-9m)의 박막이다. 얇고 가벼우면서도 물리·화학적 안정성이 높으며, 내구성이 뛰어나 활용 범위가 넓다.

연구진은 반도체 공정에 적용되던 화학기상증착 공정을 응용했다. 전극 물질이 놓인 반응 챔버 내에 기체 탄화수소 물질을 저농도로 흘려주는 것만으로 연료전지용 백금계 촉매 및 이차전지 전극용 실리콘 나노입자의 표면에 다공성 그래핀쉘을 코팅할 수 있다.

공정이 매우 간단하고, 처리 시간이 수 초에서 수 분 내외로 짧으며, 온도와 반응물의 농도 조절만으로 그래핀쉘의 형상 및 두께를 조절할 수 있다. 촉매 10kg을 코팅하는데 원료비가 수 백 원에 불과할 정도로 저렴해 적은 예산으로 단기간에 사업화가 용이하다.

모든 배터리는 충방전 과정에서 팽창과 수축을 반복하면서 손상이 발생하고 충전효율이 저하된다. 이차전지의 차세대 음극재인 실리콘 나노 입자에 다공성 그래핀쉘을 코팅하면 배터리의 충방전 과정에서 발생하는 팽창과 수축에 탄력적으로 반응하면서 수명저하(전극의 비활성화)를 근본적으로 억제할 수 있다.

연료전지 전극용 촉매는 가동 중 촉매 입자의 비활성화가 필수적이다. 촉매 표면에 코팅된 다공성 그래핀쉘의 보호 효과로 촉매 입자의 응집·부식·탈락을 근본적으로 억제할 수 있다. 더불어 그래핀쉘에 숭숭 뚫린 구멍을 통해 반응물이 쉽게 이동할 수 있어 촉매 성능 저하를 최소화할 수 있다.

탄소중립 달성을 위해 태양광, 풍력 등 재생에너지 기술뿐만 아니라 수소와 연료전지, 이차전지 등 에너지원을 저장·공급하는 차세대 에너지 소자 개발이 활발히 이루어진다. 국내 연구진이 이차전지와 연료전지의 내구성을 향상시키는 기술을 개발하고 사업화에 성공해 이목을 끌고 있다.

한국에너지기술연구원은 ㈜액트로와 6일 대전 본원에서 ‘다공성 그래핀 코팅’ 기술 이전 계약을 체결했다. 이 자리에는 김종남 에너지연구원 원장, 하동길 액트로 대표 등 관계자 6명이 참석했다.

국내 정밀부품 제조 전문기업인 ㈜액트로는 이전받은 순수 국내기술을 기반으로 전극 소재를 양산한다. 대부분 수입에 의존하던 전극 소재를 국산화하고 관련 해외 시장을 개척하는 것이 이 회사의 목표다.

김희연 박사는 “이번 기술 이전은 국내 자체기술로 개발된 순수 ‘원천 소재 기술’에 대한 사업화로써 매우 드문 사례이며, K-소부장 기술을 바탕으로 한 수소경제 및 친환경 에너지 시스템의 인프라 구축에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

하동길 액트로 대표는 “스마트폰 부품 사업 일변도의 사업포트폴리오를 다각화하고, 미래성장 먹거리를 선정해 투자 및 추가증설 계획을 수립했다는데 의의가 있으며, 향후 원천기술 및 관련 소재기업들과 시너지를 통해 입지를 강화하겠다”고 밝혔다.

다공성 그래핀이 코팅된 연료전지용 백금 촉매(위), 다공성 그래핀쉘을 가진 이차전지용 코발트산화물 입자(아래). □ 출처= (ACS Nano (2015) 9, 6, 5947-5957), (Advanced Mateirlas (2018) 30, 1805023)

에너지산업신문 심유빈 knews77@daum.net 심유빈의 기사 더보기

저작권자 ⓒ 에너지산업신문, 무단 전재 및 재배포 금지