우리 연구진이 리튬-황 전지 성능을 크게 높일 수 있는 소재 개발에 성공했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 이진우 생명화학공학과 교수팀이 서로 다른 크기 기공을 가진 다공성 2차원 무기질 나노코인 합성 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.
나노코인은 동전과 같이 둥근 모양으로 두께가 약 3나노미터(㎚)인 2차원 나노 소재다. 연구팀 합성기술은 다공성 무기질 소재를 동전 형상으로 제어할 수 있고, 각종 물성을 정밀 제어할 수 있는 새로운 원천 기술이다. 이를 리튬-황 이차전지 분리막에 사용, 리튬-황 전지 성능 저하 원인으로 꼽히는 '리튬폴리설파이드' 용출을 억제해 성능을 높이는 데 성공했다.
기존 다공성 2차원 무기질 소재는 소재 형상과 두께를 동시에 조절하는 것에 한계가 있다. 또 다공성 구조 형성에 추가 공정이 필요하다.
연구팀은 서로 섞이지 않는 단일중합체, 블록공중합체 계면에너지가 달라짐에 따라서 나노구조 배향과 입자 모양이 달라지는 원리를 이용했다. 무기질 소재 내부에 함께 자기조립된 블록공중합체가 제거되면서 마이크로 기공이 형성됐다.
이 방법은 별도 주형이 필요하지 않은 원팟(one-pot) 방법으로 복잡한 과정을 줄여 생산력을 증대시켰다. 연구팀은 다공성 2차원 알루미노실리케이트 나노코인을 차세대 전지인 리튬-황 이차전지 분리막에 코팅해 전지 성능을 높이는 데 성공했다.
기존 리튬-황 이차전지의 큰 문제점은 황이 충방전 과정에서 새어나가는 현상이다. 다공성 2차원 알루미노실리케이트 나노코인은 분리막에 약 2마이크로미터(㎛)로 얇게 코팅돼 용출되는 리튬폴리설파이드를 물리·화학적으로 억제했다.
이 교수는 “고분자에서 일어나는 현상을 이용한 새로운 다공성 2차원 무기 소재를 합성기술로 기존 문제점을 해결할 수 있음을 보여줬다”고 말했다.
한편 이 교수 연구실 김성섭 박사(현 전북대 교수)가 주도하고 임원광 박사가 참여한 이번 연구 결과는 미국화학회지 9월 1일자 온라인판에 게재됐다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
