국내 연구진이 공기 중에 널리 퍼져있는 산소로 충전이 가능한 ‘리튬-공기 배터리’의 에너지 저장 소재를 개발했다.

기존 리튬-이온 배터리에 비해 약 10배 큰 에너지 밀도를 얻을 수 있어 친환경 전기차용 배터리 성능 개선에 크게 기여할 것으로 기대된다.

 금속-유기 구조체에서 생성된 촉매가 기공 내에 안정화하는 과정(개략도) / KAIST 제공
금속-유기 구조체에서 생성된 촉매가 기공 내에 안정화하는 과정(개략도) / KAIST 제공
KAIST는 강정구 신소재공학과 교수가 최경민 숙명여대 화공생명공학부 교수 연구팀과 함께 차세대 배터리로 주목받는 리튬-공기 배터리의 에너지 저장 전극 소재(촉매)를 개발했다고 1일 밝혔다.

리튬-이온 배터리는 낮은 에너지 밀도라는 한계가 있어 전기차와 같이 높은 에너지 밀도를 요구하는 장치에 적합하지 않다는 평가를 받는다. 이를 대체하기 위한 연구가 활발한 가운데 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 리튬-공기 배터리가 유력한 후보로 꼽힌다.

다만, 리튬-공기 배터리는 사이클 수명이 매우 짧다는 단점이 있다. 공동연구팀은 원자 수준의 촉매를 도입해 사이클 수를 약 3배 증가시켰다.

연구팀은 원자 수준의 촉매를 제어하는 기술과 금속 유기 구조체(MOFs, Metal-Organic Frameworks)를 형성해 촉매 전구체와 보호체로 사용하는 새로운 개념을 도입했다. 금속 유기 구조체는 1g만으로도 축구장 크기의 넓은 표면적을 갖기 때문에 다양한 분야에 적용 가능한 신소재다.

연구팀은 물 분자의 거동 메커니즘 규명을 통해 물 분자를 하나씩 제어하는 기술도 함께 활용했다. 이렇게 합성한 원자 수준의 전기화학 촉매가 금속 유기 구조체의 1nm(나노미터) 이하 기공(구멍) 내에서 안정화가 이뤄져 뛰어난 성능으로 에너지를 저장한다는 사실을 밝혀냈다.

강정구 교수는 "금속-유기 구조체 기공 내에서 원자 수준의 촉매 소재를 동시에 생성하고 안정화하는 기술은 수십만개에 달하는 금속-유기 구조체 종류와 이를 통해 구현되는 촉매 종류에 따라 다양화할 수 있다ˮ면서 "이는 곧 원자 수준의 촉매 개발뿐만 아니라 다양한 소재개발 연구 분야로 이번 성과를 확장할 수 있다는 의미ˮ라고 설명했다.

김동진 기자 communication@chosunbiz.com