공기 중에 널리 퍼져있는 산소로 충전되는 차세대 리튬-공기 배터리의 에너지 저장 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 리튬-이온 배터리에 비해 10배 큰 에너지 밀도를 얻을 수 있어 전기자동차용 배터리에 상용화 기대된다.


카이스트(KAIST)는 신소재공학과 강정구(사진) 교수와 숙명여대 화공생명공학부 최경민 교수 연구팀은 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.

리튬-이온 배터리는 낮은 에너지 밀도로 인해 전기자동차와 같이 높은 에너지 밀도를 요구하는 장치들의 발전 속도를 따라잡지 못하고 있다. 이를 대체하기 위해 다양한 종류의 시스템들이 연구되고 있는데 이 가운데 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 도입하고 촉매 특성을 개선하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

연구팀은 소재개발을 위해 기존 나노입자 기반 소재의 한계를 극복하는 원자 수준의 촉매 제어 기술과 금속 유기 구조체(MOFs)를 형성해 촉매 전구체와 보호체로 사용하는 새로운 개념을 적용했다. 금속 유기 구조체는 1g만으로도 축구장 크기의 넓은 표면적을 갖기 때문에 다양한 분야에 적용 가능한 신소재다.

공동연구팀은 원자 수준의 촉매 도입 후 사이클 수가 3배 정도 증가하는 결과를 얻었다.

이와 함께 물 분자의 거동 메커니즘 규명을 통해 물 분자를 하나씩 제어하는 기술도 함께 활용했다. 이 결과, 합성된 원자 수준의 전기화학 촉매는 금속 유기 구조체의 1nm(나노미터) 이하 기공 안에서 코발트 이온과 반응해 코발트 수산화물을 형성했고, 안정화를 이뤄냈다. 이 코발트 수산화물은 뭉침 현상이 방지되고, 원자 수준의 크기가 유지되기 때문에 활성도가 향상되면서 리튬-공기 배터리의 사이클 수명 또한 크게 개선되는 결과를 얻을 수 있다.

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 개발뿐만 아니라 다양한 소재개발 연구 분야로 확장할 수 있다는 의미”라고 설명했다. 과학기술정보통신부의 글로벌프론티어사업 및 수소에너지혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행하고 카이스트 신소재공학과 최원호 박사과정이 제1 저자로 참여한 이 연구결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’ 5월 6일자에 게재됐다.

임정재 기자 jjim61@segye.com

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