Special 미래 첨단산업 핵심소재 및 선도기술 개발 동향(3)

금속-유기 구조체를 이용한 에너지 저장 기술 동향

김현욱_한국에너지기술연구원 고온에너지전환연구실 책임연구원

1. 서론

금속-유기 구조체(Metal-Organic Framework, MOF)는 금속이온과 유기 리간드가 배위 결합을 통해 자기 조립되어 형성된 결정성 다공성 구조체이다.1 MOF는 스펀지 같은 다공성 구조체로서, ‘배위결합’이라는 화학 결합으로 만들어지는 대표적인 초분자 구조체이다. MOF의 합성은 종종 레고 조립으로 비유되는데 원하는 형상을 만들기 위해 그에 맞는 형상과 컬러의 단위 블록을 선택하듯이, MOF 역시 사용 목적에 맞는 금속 이온과 유기 리간드를 선택하고, 레고 블록들을 이리저리 조립해 원하는 형상을 만들듯이, 금속 이온과 유기 리간드들이 용매 속에서 자유롭게 결합하면서 결정성 구조를 이루게 된다. 즉, 위상학적 구조 및 특성을 예측하여 설계하는 것이 가능하고, 결정 물질 내 빈 공간의 크기, 구조, 특성 등을 조절할 수 있다. 이렇게 만들어진 MOF는 규칙적인 나노미터 크기의 기공과 중량 대비 매우 높은 표면적 ( > 2000 m2/g)을 가지는데 내부의 넓은 면적에 특정 기체 또는 화합물만 선택적으로 결합하도록 만들면 이산화탄소 제거,2,3 수소 저장,4,5 약물 전달6,7 등의 기능을 구현할 수 있다. 또한, 특정 화학 반응을 일으키도록 만들면 촉매로 활용할 수 있고,8,9 규칙적으로 배열된 구조적 패턴을 이용하여 전자기파를 제어하는 메타재료 (meta materials)로도 사용될 수 있다.10,11 특히, 최근에는 MOF를 에너지 저장용 전극재료로 응용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.12 이 리뷰는 MOFs 전극재료에 관한 최신의 연구동향과 관점을 제공하고 효율적인 전극재료 개발을 위해서 해결되어야 할 이슈들을 제시한다.
　
　그림 1. MOF의 합성과 이를 이용한 에너지 저장12

2. 전기화학적 에너지 저장 시스템

　그림 2. 전기화학적 에너지 저장 시스템13

전기화학적 에너지 저장/방출은 전자 및 이온 충전/방전에 의해 일어난다. 배터리와 슈퍼커패시터는 전기를 저장하는 일반적인 에너지 저장 장치로 양극 및 음극, 분리막, 전해질로 구성된다. 배터리는 방전하는 동안 전극에서 전기화학적 반응이 일어나 외부 회로를 통해 흐르는 전자가 생성되고 충전하는 동안 전극에 외부 ??전압이 인가되어 전극에서 전자의 움직임과 반응을 유도한다. 최근, 충전식 배터리는 전기 자동차 및 휴대용 전자기기, 그리드 에너지 저장, 재생 에너지 장치에 대한 엄청난 잠재력을 보여주고 있다. 특히, LIB (Lithium ion battery)는 고전압 (~ 4.3 V) 및 낮은 자체 방전, 긴 사이클 수명, 높은 신뢰성을 바탕으로 가장 널리 사용되는 이차전지이다. 슈퍼커패시터는 전기이중층과 유사커패시터 저장 방식이 있는데 전기이중층 방식은 고체 전극에 전해질 이온의 물리적 흡/탈착 반응을 기반으로 하고 유사커패시터 저장 방식은 전기화학적 산화환원 반응을 포함한다. 슈퍼커패시터의 전극재료는 주로 탄소, 전이금속 산화물, 전도성 고분자 등이 있으며 최근 MOF 전극 재료가 연구되고 있다. 슈퍼커패시터는 고출력이 필요한 전자기기 및 자동차 등에 많이 적용되고 있다. LIB 및 슈퍼커패시터의 성능은 사용되는 전극 재료와 밀접한 관련이 있다. 최근, 재료 설계 전략 및 합성 기술의 비약적인 발전으로 배터리 및 슈퍼커패시터의 성능이 빠르게 발전하고 있다.
　
　2-1. 슈퍼커패시터
슈퍼커패시터는 이온을 전극 표면에 물리적으로 흡착하여 에너지를 저장하는 시스템이다. 전극 사이에 전압을 걸면 전해질에는 있는 양이온은 음극으로 음이온은 양극 전극 표면에 물리적으로 흡착된다. 이온이 물리적으로 흡착되어 에너지가 저장되기 때문에 이온과 전극의 결합에너지가 높지 않다. 이러한 저장 메커니즘 특성상 슈퍼커패시터는 방전시 높은 출력밀도를 보이는데 대략 리튬이온전지보다 10배 가량 높다. 또한, 50만회 이상 반복적인 충방전시에도 성능에는 문제가 없으며 빠르게 충전이 되는 장점이 있다. 이러한 장점을 바탕으로, 현재 슈퍼커패시터는 고출력이 요구되는 자동차/탱크, UPS, 점프스타터, 블랙박스, 태양광 가로등, IoT 센서등에 적용되고 있다.
슈퍼커패시터의 성능은 에너지 밀도 및 출력밀도, 사이클 능력, 충방전 프로세스 시간, 가격에 의해서 평가된다. 슈퍼커패시터의 에너지밀도와 출력밀도는 각각 식 (1) 및 (2)에 의해서 결정된다.
E=1/2 CV2   (1)
P=IV       (2)
여기서 C는 정전용량이며 V는 작동전압, I는 전류이다.
슈퍼커패시터 전극 재료 중 활성탄(Activated carbon, AC)은 넓은 비표면적 (~ 2000 m2/g) 및 저렴한 가격, 쉬운 가공성 때문에 가장 널리 사용되고 있다. 그러나, 이온이 전기이중층을 형성하면서 전극 표면에 물리적으로 흡착되어 저장되기 때문에 전기용량을 높이는데 한계가 있어 이를 개선하기 위해 산화/환원 반응이 가능한 금속산화물 전극재료가 도입되고 있다. 예를 들어, RuO2는 높은 전기용량 (1500 F/g)을 가지며 빠른 패러데이 산화환원 반응을 수행할 수 있으며 높은 열적/화학적 안정성 가지고 있어 가장 이상적인 유사 용량성 전극 재료이지만 가격이 너무 비싸다는 단점이 있다.14 MnO2는 값싸게 쉽게 구할 수 있고 높은 이론적 전기용량(1380 F/g)으로 인해 가장 경쟁력 있는 전이 금속 산화물로 널리 연구되고 있지만 낮은 전기전도성과 느린 이온 수송 속도의 단점을 가지고 있다.15

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