KAIST, 공기 중 산소로 충전되는 차세대 배터리용 에너지 저장 소재 개발

↑ 금속-유기 구조체를 통과한 물이 원자 수준의 촉매를 구멍 내에서 생성하고 안정화하는 과정을 나타낸 개략도. [사진제공 = 한국과학기술원(KAIST)]

국내 연구진이 차세대 배터리 에너지 저장 소재를 개발했다.
한국과학기술원(KAIST)은 공동 연구팀이 기존 리튬-이온 배터리에 비해 약 10배 큰 에너지 밀도를 갖고 있는 차세대 전지 리튬-공기 배터리의 에너지 저장 소재를 개발했다고 1일 밝혔다. 공기 중 산소를 사용해 충전할 수 있는 리튬-공기 배터리는 향후 친환경 전기자동차용 배터리에 널리 쓰일 것으로 기대된다.
현재 리튬-이온 배터리를 대체할 수 있는 다양한 차세대 배터리가 연구되고 있다. 리튬-이온 배터리는 낮은 에너지 밀도로 인해 전기차와 같이 높은 에너지 밀도를 요구하는 장치에 사용되는데 한계가 있기 때문이다. 리튬-공기 배터리도 이 중 하나로 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 하지만 리튬-공기 배터리는 사이클 수명(전지를 반복 사용할 수 있는 횟수)이 매우 짧다는 단점이 있었다. 이번 공동연구팀의 연구는 배터리의 사이클 수명이 약 3배 증가하는 결과를 얻어 이런 한계를 극복할 실마리를 찾았다.
공동연구팀은 이번 연구를 위해 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. 또 물 분자를 하나씩 제어하는 기술도 함께 활용해 합성된 촉매를 금속 유기 구조체의 1nm(나노미터) 이하 구멍에서 생성과 동시에 안정화될 수 있도록 했다.
공동연구팀의 강정구 교수는 "금속-유기 구조체 구멍 내에서 원자 수준의 촉매 소재를 동시에 생성하고 안정화하는 기술은 수십만 개의 금속-유기 구조체 종류와 구현되는 촉매 종류에 따라 다양화가 가능하다"며 "이는 곧 원자 수준의 촉매 개발뿐만 아니라 다양한 소재개발 연구 분야로 확장할 수 있다는 의미"라고 설명했다. 이번 연구 결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 5월 6일자에 게재됐다.
[이종화 기자]