연세대·경북대·성균관대 공동연구, 인공지능 활용한 촉매 개발로 에너지 저장 기술 혁신

KAIST(총장 이광형) 연구진이 화재 위험이 없는 차세대 아연-공기 배터리를 개발했다. 기존 리튬이온 배터리(LIB)의 단점을 보완하는 이 기술은 높은 에너지 밀도와 저비용 소재를 활용해 미래 전기차 및 웨어러블 전자기기 등에 폭넓게 활용될 전망이다. 이번 연구는 연세대, 경북대, 성균관대와의 공동연구로 진행되었으며, 인공지능(AI) 배터리 연구를 활용해 고성능 이종기능 전기화학 촉매를 개발하고, 촉매 활성 메커니즘을 규명하는 데 성공했다. AI 배터리 연구는 이 과정에서 중요한 역할을 하였다.

아연-공기 배터리, 차세대 에너지 저장장치로 주목

리튬이온 배터리는 에너지 저장장치 시장을 주도하고 있지만, 높은 발화 위험성과 소재 비용 부담이 단점으로 지적되어 왔다. 이에 대한 대안으로 아연-공기 배터리는 자연에서 쉽게 구할 수 있는 아연 금속과 공기를 이용해 전력을 생산하는 기술로, 기존 배터리 대비 약 5배 높은 에너지 밀도를 제공하며, 급속 충전이 가능한 고출력 특성을 지닌다.

그러나 아연-공기 배터리의 상용화를 위해서는 충·방전 시 공기극에서 발생하는 산소 환원(ORR) 및 산소 발생(OER) 반응이 원활하게 이루어져야 한다. 기존 상용 촉매는 백금, 이리듐 등 귀금속 기반으로 비용이 높아 경제성이 떨어지는 문제가 있었다.

AI 기반 이종기능 촉매 개발… 비용 절감과 효율 향상

강정구 교수(KAIST 신소재공학과) 연구팀은 값비싼 귀금속 대신 저렴한 전이금속 산화물을 활용한 새로운 이종접합 촉매를 개발했다. 이 촉매는 기존 귀금속 촉매보다 높은 활성도와 안정성을 보이며, 아연-공기 배터리의 성능을 획기적으로 개선할 수 있도록 설계되었다.

특히 연구팀은 인공지능(AI)을 활용해 기계학습 힘장(Machine Learning Force Field)을 개발하여, 계면에서의 원자 구조와 촉매 활성 메커니즘을 정밀하게 규명했다. 기존 방법으로는 분석이 어려웠던 수천만 개 원자 간 상호작용을 AI 기반 계산을 통해 해석함으로써 촉매의 효율성을 극대화할 수 있었다.

고출력·고안전성 배터리, 전기차·웨어러블 기기 활용 기대

연구팀이 개발한 이종기능 촉매를 활용해 제작된 아연-공기 배터리는 기존 리튬이온 배터리를 능가하는 에너지 밀도를 기록했다. 또한, 저비용 소재를 사용해 경제성을 확보하면서도 높은 안전성을 유지할 수 있어, 차세대 전기자동차, 웨어러블 전자기기, 스마트 전력 저장 시스템 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 높다.

강정구 교수는 “이번 연구에서 개발된 촉매는 경제성과 높은 촉매 활성도를 동시에 갖춰 아연-공기 배터리 상용화에 기여할 수 있을 것”이라며, “중·소형 전력원뿐만 아니라 향후 전기자동차까지 활용 범위를 확대할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 KAIST 신소재공학과 최종휘 박사과정 연구원이 주도했으며, 연구 결과는 에너지 저장 소재 분야의 권위 있는 국제 학술지 Energy Storage Materials에 지난 1월 14일자로 게재되었다. (논문명: Zeolitic imidazolate framework-derived bifunctional CoO-Mn3O4 heterostructure cathode enhancing oxygen reduction/evolution via dynamic O-vacancy formation and healing for high-performance Zn-air batteries, DOI: 10.1016/j.ensm.2025.104040)

또한, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 미래기술연구실의 지원을 받아 수행되었다.

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