KAIST(총장 신성철)는 강정구 신소재공학과 교수가 최경민 숙명여대 화공생명공학부 교수 연구팀과 공동연구를 통해 원자 수준에서 촉매를 제어하고 분자 단위에서 반응물의 움직임 제어가 가능, 차세대 배터리로 주목받는 리튬-공기 배터리용 에너지 저장 전극 촉매를 개발했다고 1일 밝혔다.

기존 리튬-이온 배터리는 낮은 에너지 밀도로, 전기자동차와 같이 높은 에너지 밀도를 요구하는 장치들의 발전 속도를 따라잡지 못하고 있다. 이 가운데 높은 에너지 밀도 구현이 가능한 리튬-공기 배터리가 가장 유력한 대체후보로 꼽힌다.
 
다만 리튬-공기 배터리는 사이클 수명이 매우 짧다. 그렇기에 공기 전극에 촉매를 도입하고 촉매 특성을 개선하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 연구진은 원자 수준의 촉매 도입 후 사이클 수가 3배 정도 증가하는 결과를 얻었다.

촉매의 경우 크기가 1nm(나노미터) 이하로 작아지면 서로 뭉치는 현상이 발생, 성능이 급격하게 떨어진다. 연구진은 이러한 문제 해결을 위해 원자 수준 촉매 제어기술을 사용했다. 

금속 유기 구조체(MOFs, Metal-Organic Frameworks)는 1g만으로도 축구장 크기의 넓은 표면적을 갖는데, 물 분자가 금속 유기 구조체의 1nm(나노미터) 이하의 공간에서 코발트 이온과 반응해 코발트 수산화물을 형성했다. 공간 내부에서도 안정화를 이뤘다. 

안정화가 이뤄진 코발트 수산화물은 뭉침 현상이 방지되고 원자 수준의 크기가 유지되기 때문에 활성도가 향상, 리튬-공기 배터리의 사이클 수명이 크게 개선되는 결과를 얻었다. 뛰어난 성능으로 에너지를 저장한다는 사실도 밝혀냈다.

강정구 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.

최원호 KAIST 신소재공학과 박사과정이 제1 저자로 참여한 해당 연구결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)'에 지난 6일 자로 게재됐다. (논문명 : Autogenous Production and Stabilization of Highly Loaded Sub-Nanometric Particles within Multishell Hollow Metal-Organic Frameworks and Their Utilization for High Performance in Li-O2 Batteries)

한편 이번 연구는 과기부의 글로벌프론티어사업 및 수소에너지혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.