[한스경제=고혜진 수습기자] 한국과학기술원(KAIST)은 공기 중 산소로 충전하는 리튬·공기 배터리의 에너지 저장 소재를 개발했다. 

KAIST는 강정구 신소재공학과 교수가 최경민 숙명여대 화공생명공학부 교수 연구팀과 공동연구를 통해 리튬·공기 배터리용 에너지 저장 전극 소재를 발명했다고 1일 밝혔다. 

이 소재는 원자 수준에서 촉매를 제어하고 분자 단위에서 반응물의 움직임 제어가 가능하다. 기존 리튬·이온 배터리에 비해 약 10배 큰 에너지 밀도를 얻을 수 있어 향후 전기자동차용 배터리에 쓰일 것으로 기대한다는 입장이다.

연구팀은 이번 소재 개발을 위해 원자 수준의 촉매를 제어하는 기술과 금속 유기 구조체(MOFs)를 형성했다. 촉매 전구체와 보호체로 사용하는 새로운 개념도 적용했다. 

이는 금속 유기 구조체는 1g만으로도 축구장 크기의 넓은 표면적을 갖기 때문에 다양한 분야에 적용 가능한 신소재다. 

물 분자의 거동 메커니즘 규명을 통해 물 분자를 하나씩 제어하는 기술도 활용했다. 

이를 통해 합성된 원자 수준의 전기화학 촉매는 금속 유기 구조체의 1nm(나노미터) 이하 기공(구멍) 내에서 안정화가 이뤄져 에너지를 저장한다는 사실을 밝혀냈다. 원자 수준의 촉매 도입 후 사이클 수가 3배 정도 증가하는 결과도 얻었다.

공동연구팀은 이런 문제 해결을 위해 원자 수준 촉매 제어기술을 사용했다. 촉매의 경우 크기가 1nm 이하로 작아지면 서로 뭉치는 현상이 발생해 성능이 급격하게 떨어지기 때문이다. 

물 분자가 금속 유기 구조체의 1nm 이하의 공간에서 코발트 이온과 반응해 코발트 수산화물을 형성했고 공간 내부에서도 안정화를 이뤘다.

아울러 리튬·공기 배터리의 사이클 수명도 크게 개선됐다. 안정화가 이뤄진 코발트 수산화물은 뭉침 현상이 방지되고 원자 수준의 크기가 유지돼 활성도가 향상되기 때문이다.

강정구 KAIST 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”며 “이는 곧 원자 수준의 촉매 개발뿐만 아니라 다양한 소재 개발 연구 분야로 확장할 수 있다는 의미”라고 말했다.

한편 연구결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 5월 6일자에 게재됐으며 최원호 KAIST 신소재공학과 박사과정이 제1 저자로 참여했다. 

고혜진 수습기자 khj@sporbiz.co.kr