차세대 전지 '리튬공기배터리' 수명 늘릴 방법 찾았다

KAIST·숙명여대 연구팀이 개발한 ‘금속 유기 구조체’의 나노미터 크기 구멍 안에 촉매가 들어가는 모습. 리튬공기배터리의 수명을 늘릴 수 있는 신기술이다. KAIST 제공

국내 연구진이 차세대 전지인 ‘리튬공기배터리’를 상용화할 핵심 기술을 개발했다.

KAIST(카이스트) 신소재공학과 강정구 교수와 숙명여대 화공생명공학부 최경민 교수 연구팀은 ‘리튬공기배터리’의 충·방전 횟수를 늘릴 새로운 촉매를 개발했다고 1일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 최신호에 실렸다.

현재 전기 자동차 등에 널리 활용되는 이차전지인 ‘리튬이온배터리’는 집어넣을 수 있는 전기 에너지의 양이 비교적 적다. 이 때문에 자동차에 쓰려면 배터리를 최대한 여러 개 탑재해야 한다. 트렁크 공간이 좁아지는 것을 감수하거나 차량 뒷부분 길이를 비정상적으로 늘리는 일이 많다.

리튬공기배터리는 이론상 리튬이온배터리보다 용량을 10배 키울 수 있어 이런 문제의 해결책으로 떠오르고 있다. 문제는 충·방전 횟수다. 리튬이온배터리는 대개 수천 번 충·방전 할 수 있지만, 리튬공기배터리는 10회 정도가 한계다. 한 번에 퍼담을 수 있는 전기의 양은 많지만, 수명은 매우 짧은 것이다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 리튬공기배터리 촉매에 이른바 ‘금속 유기 구조체’를 사용하는 기술을 개발했다. 금속 유기 구조체는 1g만으로도 축구장 넓이의 표면적을 갖는데, 숯처럼 표면에 작은 구멍이 수없이 뚫려 있어 나타나는 특징이다. 금속 유기 구조체에 형성된 1㎚ 이하의 작은 구멍 안에 원자 크기의 촉매 물질을 집어넣은 것이다. 촉매에는 물 분자와 코발트 이온을 반응시켜 형성된 ‘코발트 수산화물’을 썼다.

결과적으로 금속 유기 구조체에 만들어진 초소형 방에서 촉매가 서로 달라붙지 않고 제 구실을 오래 하면서 수명이 늘어난 것이다. 연구팀은 충·방전 횟수가 30회를 기록했다며 촉매가 도입되지 않은 리튬공기배터리보다 3배 늘었다고 밝혔다.

논문 제1저자인 KAIST 신소재공학과 최원호 박사과정생은 “향후 상용화가 진행되면 태양광 발전 설비와 연계된 에너지저장장치(ESS) 등에도 활용할 수 있을 것으로 보인다”고 말했다.

이정호 기자 run@kyunghyang.com

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