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[신기술]“나노 기술로 힘세고 오래가는 배터리 만든다”
2019-07-01

“나노 기술로 힘세고 오래가는 배터리 만든다”
리튬이온전지 및 해수전지 등 분야서 주목

일반적인 전자기기뿐만 아니라, 최근 친환경산업으로 각광받는 전기자동차나 태양광발전기, 해수전지 등에는 배터리가 필수적으로 사용되기 때문에, 그 어느 때보다 이에 대한 중요성이 부각되고 있다. 하지만 기존 방식으로는 배터리 개발에 한계가 있는 만큼, 세계적으로 나노미터(㎚, 10-9m) 단위로 들여다보면서 성능을 향상시키려는 연구가 활발하다. 국내 연구진에서도 배터리 전극을 나노 단위로 구현해 성능을 향상시키는 기술을 속속 개발하고 있다.

정리 김경한 기자│자료 UNIST, IBS

UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 이현욱·김영식 교수팀이 탄소섬유의 나노 단위 틈새로 액체 금속이 스며들게 하는 공정으로 성능이 뛰어난 금속 전극을 개발해 고성능 금속 배터리 상용화의 길을 열었다.

한편, IBS(기초과학연구원) 나노입자 연구단 현택환 단장, 성영은 부연구단장 팀은 나노미터 크기의 이산화티타늄을 이용해 리튬이온전지의 용량을 기존 대비 30%이상 향상시키는 배터리 제조 기술을 선보였다.

나노 틈새 통해 고성능 금속 배터리 전극 개발
바다 속 나트륨 활용하는 해수전지 적용 기대

배터리 용량을 늘리는 이상적 방법으로 금속 전극을 쓰는 ‘금속 배터리’가 주목받고 있다. 이를 위해선 금속 전극의 수명과 안정성을 높여야 하는데, 이 과제를 풀고 대량생산까지 성공한 연구가 나왔다.

UNIST 에너지 및 화학공학부 이현욱·김영식 교수팀은 탄소섬유의 미세한 틈새로 액체 금속이 스며들게 하는 공정을 통해 고성능 금속전극(탄소섬유-금속 복합재)을 개발했다. 이 공정을 이용해 리튬(Li)이나 나트륨(Na) 금속 전극을 대량생산하는 기술도 확보했다.

연구진은 이 기술로 대량생산한 나트륨 금속 전극을 ‘10kW급 해수전지 에너지저장장치(ESS)’에 적용하기도 했다. 지난해 12월에는 동서발전 화력발전소에 장착해 약 한 달간 시범 시험을 진행했다.

이현욱 교수는 “금속 배터리의 성능 향상에 초점을 맞추던 기존 연구들과 달리, 상용화 측면에서 접근하면서 전극 소재의 대량생산을 시도해 성공했다”며 “전극 소재를 실제 장비에 적용한 시험도 진행한 만큼 ‘고성능 금속 배터리’ 상용화에도 기여할 것”이라고 말했다.

[그림 1] 탄소섬유-금속 함침 공정의 개략도
(a) 녹여서 액체 상태가 된 리튬이나 나트륨 금속을 열처리된 탄소 직물에 접촉시키면 자연스레 스며들면서 전극이 만들어진다. (b) 기존 금속 전극은 구
리 도전체에 다른 구조체 없이 금속만 올려두는 형태라 충·방전했을 때 리튬이나 나트륨 금속의 결정이 불규칙하게 성장한다. (c) 이와 달리, 탄소 섬유에
리튬이나 나트륨 금속을 스며들게 만들면 미세한 틈 사이로 안정적 증착이 일어난다.
 

금속 전극은 기존 흑연 전극보다 용량이 약 10배 정도 큰데다 구동 전압이 낮아 차세대 음극 물질로 각광받는다. 하지만 배터리 구동 시 전극 표면에 나뭇가지 모양의 결정(수지상 결정)이 생기면서 성능이 낮아지는 고질적 문제점을 안고 있다.

이번 연구에서는 탄소섬유를 가공해 미세한 틈새를 만들고, 여기에 금속 액체를 스며들게 하는 방식으로 새로운 금속 전극을 제작했다. 탄소섬유 사이에 리튬이나 나트륨 금속이 스며든 복합재는 배터리 구동 시 수지상 결정의 형성이 제어됐다. 그 덕분에 금속 전극의 안정성이 향상됐고, 배터리 전체 수명도 늘어났다.

공동 1저자인 김민호 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “나노미터 수준의 미세한 틈새가 생기면서 ‘모세관 현상’이 일어나 액체 금속이 순식간에 스며들었다”며 “탄소섬유가 구조체로 존재하자 금속만 전극으로 쓰던 기존에 비해 구조적 안정성이 크게 늘어났다”고 설명했다.

금속 액체는 탄소섬유에 닿자마자 스며들기 때문에, 전극 제작에는 10초 정도 소요된다. 탄소섬유는 천 등의 옷감 같은 직물 형태라 유연성이 뛰어난데, 이 점을 이용하면 전극 모양도 자유롭게 제작할 수 있다.

공동 1저자 고우석 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “해수전지는 바닷물에 담그기 쉽고 적층하기 쉬운 ‘사각형 주머니 형태’로 제작하고 있다”며 “탄소섬유-금속 복합재는 쉽게 다양한 형태로 만들 수 있고, 사각형 주머니 형태의 배터리에도 꼭 맞춘 형태의 전극을 제작할 수 있다”고 전했다.

김영식 교수는 “해수전지는 무한한 바닷물 속 나트륨 이온을 활용하기 때문에 자원 고갈의 염려가 없는 새로운 에너지 저장 시스템”이라며 “배터리의 성능을 향상시킬 전극을 개발하고 대량생산 공정까지 갖춘 만큼 상용화도 더욱 앞당겨질 것”이라고 전망했다.

[그림 2] 공정에 의한 탄소섬유의 특성 변화 분석과 전지 성능 평가
탄소섬유를 열처리하기 전(a~c)과 열처리한 후(d~f)에 보이는 특성이다. 열처리 전에는 미세한 틈이 형성되지 않아 금속 액체 방울이 스며들지
않지만(a), 열처리 후에는 미세한 틈이 무수히 많아져 금속 액체 방울이 빠르게 스며든다(d). 열처리 후(f)에는 미세한 틈 덕분에 늘어난 표면적이
열처리 전(c)에 비해 약 120배가량 증가한 것을 보여준다.
 

이번 연구 수행은 과학기술정보통신부·한국연구재단 기후변화대응기술개발사업과 기초연구실지원사업의 지원으로 이뤄졌다. 연구 결과는 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 표지 논문(Supplementary Cover)으로 선정돼 출판을 앞두고 있다.

이산화티타늄 나노 입자로 용량 한계 극복
나노 구조 적용해 배터리 저장성능 30% 향상

휴대용 전자기기의 발전과 함께 한 번의 충전으로 오래도록 사용할 수 있는 ‘백만돌이’ 같은 배터리 개발이 요구되고 있다. 더욱이 전기자동차 등의 수요 증가로 현재의 배터리 용량을 월등히 뛰어넘는 혁신적 배터리가 필요해진 상황이다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단의 현택환 단장, 성영은 부연구단장 팀은 리튬이온전지의 용량을 기존 대비 30% 이상 끌어올릴 수 있는 신개념 배터리 제조 기술을 개발했다.

리튬이온전지는 스마트폰, 노트북은 물론 전기자동차까지 고용량을 요구하는 대부분의 전자기기에 쓰인다.

배터리를 사용할 땐(방전) 음극에 포함된 리튬이온이 양극으로 이동하고, 양극 속으로 삽입되는 원리로 작동한다. 충전 시엔 정반대의 반응이 일어난다.

전극을 중심으로 산화·환원 반응이 진행되기 때문에 전극 개선은 리튬이온전지의 용량을 높이기 위해 선행돼야할 과제다. 과학자들은 이산화티타늄(TiO₂)을 기존 흑연(탄소) 전극을 대체할 새로운 음극 소재로 지목하고 있다.

격자구조를 가진 이산화티타늄은 격자 사이사이에 리튬을 저장할 수 있어 배터리 용량을 높이기에 적합하기 때문이다. 하지만 이산화티타늄을 전극으로 구현한 기존 리튬이온전지의 용량은 이론적 예상 용량의 절반 수준에 그친다는 점이 상용화의 걸림돌이 됐다.

[그림 3] 이산화티타늄 나노구조체의 리튬 저장 장면
연구진은 속이 빈 구 형태의 이산화티타늄 나노구조체를 전극으로 활용했을 때 가장 안
정적이면서 효율적으로 리튬을 저장한다는 사실을 규명했다.

연구팀은 수 나노미터 크기의 이산화티타늄 나노입자를 이용해 기존 배터리의 용량 한계를 극복할 음극 소재를 발굴했다. 우선 나노 이산화티타늄 입자의 크기와 구조를 바꿔가며 다양한 구조를 합성하고, 최적의 구조를 찾는 실험에 도입했다.

그 결과 수 ㎚ 크기 이산화티타늄 입자가 속이 빈 구 형태(hollow nanostructure)의 2차 입자를 형성할 때 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장한다는 사실을 규명했다. 연구진은 이 구조가 넓은 표면에서 일어나는 리튬과의 화학적 반응은 최소화하면서도 리튬이 내부로 삽입되는 반응의 비중을 키우기 때문에 높은 용량을 내기 유리하다고 설명했다.

이어 연구팀은 이 나노구조를 음극으로 적용한 리튬이온전지를 개발하고, 전극의 미시적 구조와 배터리의 성능 사이 관계를 분석했다. 개발된 배터리는 리튬이온 저장성능을 30% 이상 향상시킬 수 있으며, 500회 이상 충·방전을 반복해도 고용량, 고출력 성능을 유지하는 것으로 나타났다.

성영은 부연구단장은 “이번 연구에서 개발된 구조는 나노입자의 성능 한계와 안정성, 안전 문제를 모두 해결할 수 있는 새로운 방향을 제시한 것으로, 이산화티타늄 뿐 아니라 모든 나노입자에 적용가능하다”며 “나노입자를 활용해 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 길이 열린 것”이라고 강조했다.

연구 결과는 화학분야 최고 권위지인 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)’ 11월 27일자 온라인판에 실렸다.

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