공기 중에 퍼져있는 산소로 충전되는 차세대 배터리인 리튬-공기 배터리의 에너지 저장 소재가 개발됐다.
　국내 연구진이 개발한 차세대 공기 배터리 에너지 저장 소재는 기존 리튬-이온 배터리에 비해 약 10배 큰 에너지 밀도를 얻을 수 있다.
　KAIST는 신소재공학과 강정구 교수가 숙명여대 화공생명공학부 최경민 교수 연구팀과 공동연구를 통해 원자 수준에서 촉매를 제어하고 분자 단위에서 반응물의 움직임 제어가 가능해 차세대 배터리로 주목받는 리튬-공기 배터리용 에너지 저장 전극 소재(촉매)를 개발했다고 1일 밝혔다.
　연구팀은 이번 소재개발을 위해 기존 나노입자 기반 소재의 한계를 극복하는 원자 수준의 촉매를 제어하는 기술과 금속 유기 구조체(MOFs, Metal-Organic Frameworks)를 형성해 촉매 전구체와 보호체로 사용하는 새로운 개념을 적용했다.
　금속 유기 구조체는 1g만으로도 축구장 크기의 넓은 표면적을 갖기 때문에 다양한 분야에 적용 가능한 신소재다.
　이와 함께 물 분자의 가동 메커니즘 규명을 통해 물 분자를 하나씩 제어하는 기술도 함께 활용했다.
　그 결과 합성된 원자 수준의 전기화학 촉매는 금속 유기 구조체의 1㎚(나노미터) 이하 기공(구멍) 내에서 안정화가 이뤄져서 뛰어난 성능으로 에너지를 저장한다는 사실을 밝혀냈다.
　리튬-이온 배터리는 낮은 에너지 밀도의 한계로 인해 전기자동차와 같이 높은 에너지 밀도를 요구하는 장치들의 발전 속도를 따라잡지 못하고 있다.
　이를 대체하기 위해 다양한 종류의 시스템들이 연구되고 있는데 이 중 높은 에너지 밀도의 구현이 가능한 리튬-공기 배터리가 가장 유력한 후보로 꼽힌다.
　다만 리튬-공기 배터리는 사이클 수명이 매우 짧아서 이를 개선하기 위해 공기 전극에 촉매를 도입하며 촉매 특성을 개선하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
　공동연구팀은 원자 수준의 촉매 도입 후 사이클 수가 3배 정도 증가하는 결과를 얻었다.
　또 촉매의 경우 크기가 1㎚(나노미터) 이하로 작아지면 서로 뭉치는 현상이 발생해서 성능이 급격하게 떨어진다.
　공동연구팀은 이런 문제 해결을 위해 원자 수준 촉매 제어기술을 사용했는데 물 분자가 금속 유기 구조체의 1㎚(나노미터) 이하의 공간에서 코발트 이온과 반응해 코발트 수산화물을 형성했고, 그 공간 내부에서도 안정화를 이뤘다.
　안정화가 이뤄진 코발트 수산화물은 뭉침 현상이 방지되고 원자 수준의 크기가 유지되기 때문에 활성도가 향상되면서 리튬-공기 배터리의 사이클 수명 또한 크게 개선되는 결과를 얻었다.
　강 교수는 "금속-유기 구조체 기공 내에서 원자 수준의 촉매 소재를 동시에 생성하고 안정화하는 기술은 수십만 개의 금속-유기 구조체 종류와 구현되는 촉매 종류에 따라 다양화가 가능하다"면서 "이는 곧 원자 수준의 촉매 개발 뿐 아니라 다양한 소재개발 연구 분야로 확장할 수 있음을 의미한다"고 설명했다.
　KAIST 신소재공학과 최원호 박사과정이 1 저자로 참여한 이 연구 결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)' 지난달 6일 자에 게재됐다. /대전=이한영기자