[IT 톺아보기] 공기로 충전하는 차세대 배터리
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[IT 톺아보기] 공기로 충전하는 차세대 배터리
  • 김상혁 기자
  • 승인 2020.06.07 11:02
  • 댓글 0
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공기 중 산소로 충전하는 배터리, 밀도 문제 해결
실리콘 음극 리튬 이온 배터리, 100km 더 달린다
암 유전자 돌연변이 억제 물질 개발, 췌장암에 효과
연일 터지는 정치·사회 뉴스에 빠져 정작 중요한 것을 놓치기 일쑤죠. 21세기 미래를 바꿀 IT기술, 인포테인먼트 소식입니다. 미래 먹거리일 뿐 아니라, 흐름을 놓쳤다간 금방 시대에 뒤처지게 됩니다. <오피니언뉴스>는 매주 주요 IT, 과학기술, 게임 소식들을 짤막하게 모아 소개합니다. 먼 미래가 아닌 눈앞의 미래에 상용화될 IT기술을 주로 다루려합니다.  [편집자 주]
금속-유기 구조체로부터 생성된 촉매가 기공 내에 안정화하는 과정. 사진=KAIST 제공
금속-유기 구조체로부터 생성된 촉매가 기공 내에 안정화하는 과정. 사진=KAIST 제공

[오피니언뉴스=김상혁 기자] 여러 차세대 배터리 중 '리튬-공기 배터리'는 공기 중 산소를 이용하는 친환경적 방식으로 주목을 받고 있습니다. 하지만 수명이 짧다는 것이 단점인데요. 이를 해결할 수 있는 에너지 저장소가 개발됐습니다.

◆ 공기 중 산소로 충전하는 배터리, 밀도까지 높인다

강정구 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수와 최경민 숙명여대 화공생명공학부 교수 공동 연구팀은 리튬-공기 배터리용 에너지 저장 전극 촉매를 개발했다고 밝혔습니다.

현재 널리 사용되는 리튬-이온 배터리는 에너지 밀도가 낮습니다. 때문에 전기자동차처럼 점차 높은 에너지 밀도를 요구하는 장치들의 발전 속도를 따라잡지 못하고 있습니다. 이를 대체하기 위해 다양한 차세대 배터리가 연구되고 있습니다.

이 중 리튬-공기 배터리가 높은 에너지 밀도 구현이 가능한 유력한 후보로 꼽힙니다. 리튬-이온 배터리보다 10배 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는데다 공기 중 산소를 이용해 충전하는 방식이기 때문에 친환경적입니다.

하지만 배터리 구동 시 과전압이 발생해 수명이 짧아진다는 한계가 있습니다. 때문에 이를 개선하기 위해 공기 전극에 촉매를 도입하고 촉매 특성을 개선하려는 연구가 활발합니다.

연구팀은 신소재 금속유기구조체(MOFs)를 이용해 1나노(nm·10억분의1미터) 이하의 원자 크기의 촉매를 개발했습니다. MOFs는 1g만으로도 축구장 크기의 넓은 표면적을 갖는데요. 연구팀은 MOFs가 가진 원자 크기의 기공(공기구멍)들 안에서 만들어지는 코발트 수산화물을 이용하면 리튬-공기 배터리의 수명을 크게 개선할 수 있음을 발견했습니다.

연구팀은 이 촉매를 넣어 배터리에 넣어 구동한 결과 과전압이 63.9% 낮아지고, 수명에 해당하는 사이클 수가 3배 늘어남을 확인했습니다.

또 연구팀에 따르면 이 기술로 수십만 개의 금속-유기 구조체 종류와 구현되는 촉매 종류에 따라 다양화가 가능해 여러 소재 개발 연구 분야로 확장할 수 있다고 합니다.

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고용량 음극 사전 리튬화 공정. 사진=KIST 제공

◆ 흑연 음극, 실리콘으로 바꾸자 전기차 100km 더 달린다

이번에는 또다른 방식으로 전기차 배터리의 효율을 증가시키는 연구 개발 소식입니다. 배터리 음극 소재를 흑연에서 실리콘으로 대체해 주행거리를 평균 100km 늘렸다고 합니다.

한국과학기술연구원(KIST)은 청정신기술연구소 이민아 에너지저장연구단 박사, 홍지현 에너지소재연구단 박사 공동연구팀이 실리콘 기반 음극 소재 적용 기술을 개발했다고 밝혔습니다.

최근 리튬-이온 배터리의 용량을 높이기 위한 방안으로 음극 소재를 실리콘으로 대체하는 기술이 주목 받고 있습니다. 흑연보다 에너지를 4배 이상 저장할 수 있는 장점이 있기 때문인데요.

하지만 실리콘이 이용된 배터리는 첫 충전 이후 리튬 이온이 20% 이상 손실되는 문제가 있습니다. 때문에 손실될 리튬을 미리 추가하는 '사전 리튬화' 방법이 연구 중이지만 고비용과 높은 폭발 가능성이 걸림돌이었습니다.

연구팀은 이런 '사전 리튬화' 문제를 해결하기 위해 분말이 아닌 용액을 활용하기로 했습니다. 그러자 실리콘계 음극은 첫 충전 시 리튬 손실이 1% 이내로 감소하는 결과를 얻었습니다.

동시에 초기 효율도 99%를 상회, 이러한 방식으로 처리한 음극을 이용해 배터리를 제작한 결과 상용 배터리 대비 25% 높은 에너지밀도를 얻었다는 것이 연구팀의 설명입니다.

연구를 주도한 이민아 KIST 박사는 "간단한 방법으로 고용량 실리콘계 음극의 효율을 크게 향상할 수 있어 기존 업계의 전지 제조 설비를 활용한 양산 가능성이 매우 크다"고 설명했습니다.

공동연구자인 홍지현 KIST 박사는 "이번에 개발된 전처리 기술을 활용하면 전기차의 주행거리가 현재보다 평균적으로 최소 100km 이상 늘어날 수 있을 것"이라고 덧붙였습니다.

KRAS 돌연변이와 저해제(CY101) 복합체 결정의 3차원 구조와 표면 그림. 사진=부산대 제공

◆ 암 유전자 돌연변이 억제 물질 개발

췌장암은 암 질환 중에서도 난공불락으로 여겨질 정도로 최악의 암 중 하나로 꼽힙니다. 발병 원인도 확실히 알려지지 않았고 치료도 어렵기 때문인데요.

그런데 국내 연구진이 암 돌연변이 유전자를 억제하는, 특히 췌장암에 효과적인 물질을 개발했다는 소식입니다.

부산대 장세복 분자생물학과 교수 연구팀은 암 유전자의 돌연변이를 억제하는 물질인 저해제(CY101)를 개발했다고 밝혔습니다.

이 저해제는 돌연변이 된 암 유전자인 KRAS 단백질 표면에 결합해 변이를 막는 역할을 합니다.  연구팀은 KRAS 돌연변이 대부분을 차지하는 암 유발 단백질과 상호작용하며 활성화 기능을 차단하는 저해제의 복합체 구조를 엑스-선 구조생물학 연구 방법으로 규명했다고 설명했습니다.

또 연구팀에 따르면 이 저해제를 췌장암, 대장암, 폐암 등 다양한 KRAS 돌연변이 암 세포주에 주입해 세포 활성 억제 효과를 확인했고 동물 실험에서도 효능이 있었다고 합니다.

특히 연구 결과가 특히 췌장암에 많은 KRAS 단백질의 변이를 막는 새로운 항암제 개발과 치료 기술 발전에 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다.


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