이미지 확대보기새롭게 개발된 에너지 저장 소재에는 원자 수준의 촉매 제어 기술과 금속 유기 구조체(MOFs, Metal-Organic Frameworks) 형성을 통해 촉매 전구체와 보호체로 사용하는 개념이 적용됐다. 금속 유기 구조체는 1g만으로도 축구장 크기의 넓은 표면적을 갖기 때문에 다양한 분야에 적용 가능한 신소재다. 연구진은 또한 물 분자의 거동 메커니즘 규명을 통해 물 분자를 하나씩 제어하는 기술도 함께 활용했다.
카이스트(Kaist) 연구진은 합성된 원자 수준의 전기화학 촉매는 금속 유기 구조체의 1nm(나노미터) 이하 기공(구멍) 내에서 안정화가 이뤄져서 뛰어난 성능으로 에너지를 저장한다는 사실을 밝혀냈다.
리튬-이온 배터리는 에너지 밀도가 낮아 높은 에너지 밀도를 요구하는 전기 자동차 등에 적극적으로 활용되지 못하고 있다. 많은 연구진들은 리튬-이온 배터리를 대체할 수 있는 다양한 종류의 시스템을 연구하고 있다. 현재 가장 유력한 후보는 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 리튬-공기 배터리다. 다만, 리튬-공기 배터리는 사이클 수명이 매우 짧다. 배터리 사용 기간을 늘리기 위해 공기 전극에 촉매를 도입하고 촉매 특성을 개선하려는 연구가 함께 진행되고 있다. 국내 연구진은 원자 수준의 촉매 도입으로 사이클 수가 3배 정도 증가하는 결과를 얻었다.
촉매의 경우 크기가 1nm(나노미터) 이하로 작아지면 서로 뭉치는 현상이 발생해서 성능이 급격하게 떨어진다. 연구진은 원자 수준 촉매 제어기술을 사용해 물 분자가 금속 유기 구조체의 1nm(나노미터) 이하의 공간에서 코발트 이온과 반응해 코발트 수산화물을 형성하도록 했다. 그 결과 공간 내부에서 안정화를 이뤘다. 안정화가 이뤄진 코발트 수산화물은 뭉침 현상이 방지되고, 원자 수준의 크기가 유지되기 때문에 활성도가 향상된다. 이를 통해 리튬-공기 배터리의 사이클 수명도 큰 폭으로 늘리는 결과를 낳았다.
송광범 기자 postmoneynews@gmail.com
