국내 연구팀이 리튬 금속 전지의 수명을 개선하는 나노 입자 전해질을 개발했다. 리튬 금속 전지는 리튬 금속을 음극으로 사용한다. 리튬 금속은 에너지 밀도가 높아 차세대 배터리로 주목받지만 상용화를 위해 수명을 늘려야 한다는 과제가 있다.

한국연구재단은 한국과학기술원(KAIST) 이진우·최남순 교수 연구팀, 경상국립대 이태경 교수 연구팀이 공동으로 리튬 전지의 낮은 수명을 개선하는 나노 입자 전해질을 개발했다고 10일 밝혔다. 이 나노 입자 전해질로 리튬 금속 전지를 고속 충·방전하고 전압 성능도 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다.

리튬 금속 전지가 높은 에너지 밀도를 유지하기 위해서는 음극과 양극 비율 조건을 맞춰야 한다. 그런데 이 조건에서는 리튬 금속 전지의 수명이 낮아진다는 한계가 있었다. 리튬 금속 전지가 전압이 높을 때 쉽게 부식된다는 문제도 있었다.

그동안 리튬 금속 전지의 수명을 개선하기 위해 리튬이 오가는 통로가 되는 전해질에 함량이 높은 불소 성분을 첨가했다. 이 방식은 가격이 비싸고 환경이 오염된다는 문제가 있었다. 리튬 금속 전지의 핵심 성능이 저하되는 현상이 나타날 때도 있었다.

공동 연구팀은 리튬 금속 전지의 핵심 성능을 유지하면서도 수명을 개선하는 나노 입자 전해질을 개발했다. 전해질에 비불소계 나노 질화규소를 첨가해 리튬 이온의 용매화(溶媒化) 구조를 정밀하게 조절한 것이다. 리튬 이온이 액체 속에서 안정적으로 있도록 했다. 또 무기물이 풍부하고 안정적인 고체 전해질 계면층을 만들었다. 고체 전해질 계면층은 리튬이 전해질과 반응하며 생기는 얇은 보호막으로 리튬 금속을 보호한다.

이런 방법으로 리튬 금속 전지가 높은 에너지 밀도, 고속 충·방전, 고전압 환경에서도 성능을 유지하며 수명을 개선할 수 있다고 연구팀은 설명했다. 이진우 교수는 “하나의 비불소계 첨가제에서 다기능성을 구현하고 파우치형 배터리에서 나노 입자 전해질을 최초로 확인했다”고 했다.

이 기술을 전기차 배터리, 항공 우주용 배터리에 활용할 수 있다. 이번 연구는 에너지 학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스’에 지난 2월 실렸다.

참고 자료

(대전=연합뉴스) 박주영 기자 = 백금 촉매 사용량을 획기적으로 줄인 수전해 기술이 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 이진우·김형준 교수 연구팀이 음이온 교환막 수전해 셀의 성능과 안정성을 획기적으로 높인 귀금속 단일 원자 촉매를 개발했다고 31일 밝혔다.

수전해 셀은 물을 분해해 수소와 산소를 생산하는 수전해 장치에서 수소와 산소 가스의 혼합을 막아주는 역할을 한다.

여러 수전해 기술 가운데 음이온만 선택적으로 이동시키는 교환막을 전해질로 사용해 수소를 생산하는 음이온 교환막 수전해 셀은 고순도 수소를 다량으로 생산할 수 있는 차세대 수전해 기술이지만, 촉매로 사용되는 백금(Pt) 등 귀금속 값이 비싸 경제성이 떨어진다.

이에 단일 원자 촉매가 대안으로 제시되고 있다.

금속 원자 하나가 지지체에 분산된 형태로, 모든 금속 단일 원자가 반응에 참여하기 때문에 백금 활용도를 극대화할 수 있다.

다만 기존 저온 합성법으로는 안정성과 밀도가 떨어져 제대로 된 성능을 구현하기 어려웠다.

연구팀은 고온 환경에서의 새로운 합성 전략을 기반으로 단일 원자 촉매를 설계했다.

고온에서 높은 안정성을 제공하는 탄소를 귀금속과 강한 상호작용을 갖는 몰리브덴 탄화물과 결합, 성능을 극대화한 지지체를 개발했다.

1천도 이상 고온에서 귀금속이 자발적으로 탄화물 지지체에 단일 원자로 분해돼 안정적으로 합성할 수 있다.

상용 백금 촉매 대비 10분의 1의 사용량에도 3.38A/㎠(제곱센티미터당 암페어)의 높은 성능을 달성했으며, 이는 미국 에너지부(DOE)가 제시한 양이온 교환막 기반 수전해 셀의 2026년 성능 목표를 뛰어넘는 것이다.

제1 저자인 김성빈 KAIST 연구교수는 "이번 기술을 이용해 수전해 셀의 원가를 크게 절감시킬 수 있다"며 "수전해 셀뿐만 아니라 다양한 귀금속 기반 촉매 공정에 응용할 수 있어 산업적 파급력이 클 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 울산과학기술원(UNIST) 신승재 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 김호영 박사가 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 '에너지 인바이론멘탈 사이언스'(Energy & Environmental Science) 1월 호에 실렸다.

jyoung@yna.co.kr

경북대학교 나노신소재공학과 이용희 교수는 카이스트 생명화학공학과 이진우 교수, 나노종합기술원 연구팀과 공동으로 차세대 소재인 맥신(MXene)을 이용해 에너지 저장과 구부림 변형 감지가 동시에 가능한 이중기능소자를 개발했다고 11일 밝혔다.

최근 스마트워치, 헬스 모니터링 기기와 같은 웨어러블 디바이스가 빠르게 확산되면서 에너지를 오래 저장하면서도 착용자의 움직임을 정밀하게 감지하는 고성능 장치의 수요가 증가하고 있다.


현재 사용되는 리튬 이온 배터리는 크기와 유연성에 한계가 있어 소형 웨어러블 기기에 적합하지 않고 반복적인 충·방전으로 인해 성능이 저하되는 문제가 있다.

웨어러블 기기에서 효율적인 동작 감지를 위해 고감도의 센서가 필수적이지만 기존 센서들은 민감도가 낮아 정밀한 감지가 어려운 실정이다.

공동연구팀이 개발한 이중기능소자는 맥신의 독특한 전기화학적 특성 중 슈도캐패시턴스(pseudocapacitance·유사축전용량) 특성을 활용해 기기의 변형에 따른 미세한 움직임을 감지할 수 있도록 설계됐다.

슈도캐패시턴스는 특정 이온의 화학 반응을 통해 빠르게 에너지를 저장하는 특성으로 개발된 소자는 구부리거나 비틀 때 발생하는 국소적인 pH 변화로 전기용량이 달라지고 이를 통해 움직임을 매우 민감하게 감지할 수 있다.

공동연구팀은 개발된 소자의 센서 민감도가 기존 구부림 변형 센서보다 약 1200배 높아 스마트워치나 건강 모니터링 기기와 같은 웨어러블 장치에서 탁월한 성능을 발휘할 것으로 보인다고 설명했다.

이 교수는 "그동안 맥신의 고유한 슈도캐패시턴스 특성으로 에너지 저장소자 분야에서 많은 성과가 있었다"며 "이번 연구는 이를 새로운 응용처인 센서 소자로까지 확장 시켰다는 점에서 그 의의가 크다. 에너지 저장과 고감도 센싱을 하나의 소자에서 구현함으로써 웨어러블 기기, 의료 모니터링, 스마트 센서 분야에 근본적인 변화를 일으킬 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 나노종합기술원의 반도체-이차전지 인터페이싱 플랫폼 기술개발 사업과 한국연구재단의 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

연구 결과는 JCR 분야 상위 1% 국제학술지인 나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters) 9일자 온라인에 게재됐다.