친환경 전기차 배터리 성능 높인다...에너지 저장 소재 개발

[이데일리 강민구 기자] 공기 중에 널리 환산된 산소로 충전되는 차세대 배터리인 리튬·공기 배터리의 에너지 저장 소재가 개발됐다. 기존 리튬·이온 배터리 보다 에너지 밀도가 10배 높아 친환경 전기자동차용 배터리에 널리 쓰일 전망이다.

한국과학기술원(KAIST)은 강정구 신소재공학과 교수가 최경민 숙명여대 화공생명공학부 교수 연구팀과 함께 리튬·공기 배터리용 에너지 저장 전극 소재를 개발했다고 1일 밝혔다.

금속·유기 구조체를 통과한 물이 원자 수준의 촉매를 기공 내에서 생성하고 안정화하는 과정.<자료=한국과학기술원>

연구팀은 기존 나노입자 기반 소재의 한계를 극복하는 원자 수준의 촉매를 제어하는 기술과 금속 유기 구조체를 형성해 촉매 전구체와 보호체로 사용하는 개념을 적용했다. 금속 유기 구조체는 1g만으로도 축구장 크기의 넓은 표면적을 갖기 때문에 다양한 분야에 적용 가능하다.

연구팀은 물 분자를 하나씩 제어하는 기술도 함께 활용해 합성된 원자 수준의 전기화학 촉매가 금속 유기 구조체의 1나노미터 이하 기공안에서 안정화돼 에너지를 저장한다는 사실을 알아냈다.

기존 리튬·이온 배터리는 에너지 밀도가 낮아 전기자동차와 같이 높은 에너지 밀도를 요구하는 장치들의 발전 속도를 따라잡지 못했다. 이를 대체하기 위해 에너지 밀도를 높게 구현할 수 있는 리튬·공기 배터리가 유력한 후보로 제시됐다.

이 배터리는 사이클 수명이 짧아 공기 전극에 촉매를 도입해 촉매 특성을 개선하려는 연구가 진행됐다. 연구팀은 원자 수준의 촉매 도입 후 사이클 수가 3배 정도 증가하는 결과를 얻었다.

촉매는 크기가 1나노미터 이하로 작아지면 서로 뭉쳐 성능이 떨어져 원자 수준 촉매 제어기술을 사용했다. 물 분자가 금속 유기 구조체의 1나노미터 이하의 공간에서 코발트 이온과 반응해 코발트 수산화물을 형성했고, 공간 내부에서 안정화를 이뤘다.

안정화가 이뤄진 코발트 수산화물은 뭉침 현상이 방지되고, 원자 수준의 크기가 유지돼 리튬·공기 배터리의 사이클 수명도 개선됐다.

강정구 교수는 “금속·유기 구조체 기공안에서 원자 수준의 촉매 소재를 동시에 생성하고 안정화하는 기술은 수십만 개의 금속·유기 구조체 종류와 구현되는 촉매 종류에 따라 다양화할 수 있다”며 “곧 원자 수준의 촉매 개발과 다양한 소재개발 연구 분야로 확장할 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 지난달 6일자로 게재됐다.