리튬-황 이차전지 성능 향상 연구성과 개념도. [KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 기존 리튬 이차전지를 대체할 것으로 기대되는 차세대 리튬-황 전지 상용화를 가능케 할 소재기술 개발에 성공했다.

한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이진우 교수팀은 서로 다른 크기의 기공을 동시에 가진 다공성 2차원 무기질 나노코인을 합성하는 새로운 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

나노코인이란 동전과 같이 둥근 모양이면서 두께가 약 3나노미터(㎚)인 2차원 나노 소재를 말한다.

연구팀의 합성기술은 다공성 무기질 소재를 동전처럼 둥글고 납작한 형상으로 제어할 수 있고, 크기 및 두께 등의 물성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 원천기술이다. 이는 리튬-황 이차전지의 분리막에 사용돼 리튬-황 전지의 성능 저하 원인으로 꼽히는 리튬폴리설파이드의 용출을 효과적으로 억제해 성능을 높이는 데 성공했다.

기존 다공성 2차원 무기질 소재의 합성 방법은 기판을 이용하거나 별도의 주형을 사용하는 방식으로 소재의 형상 원판처럼 제어함과 동시에 두께를 조절하는 것에 한계가 있다. 또한 다공성 구조를 형성하기 위해서는 추가적인 공정을 도입해야만 한다. 이를 해결하기 위해서 용액에서 양친성 분자를 이용한 구조를 도입하려 시도했지만 무기질 전구체의 반응을 제어하기 쉽지 않다는 문제가 발생했다.

이 교수 연구팀은 블록공중합체와 단일중합체의 고분자 블렌드의 상거동을 이용해 기존 문제를 해결하는 새로운 합성 방식을 제시했다. 연구팀은 다공성 2차원 무기질 나노코인을 3㎚ 두께로 합성하는 데 성공했다. 서로 섞이지 않는 단일중합체와 블록공중합체의 계면에너지가 달라짐에 따라 나노 구조의 배향과 입자의 모양이 달라지는 원리를 이용했다. 또한 나노 구조 형성을 위해 무기질 소재 내부에 함께 자기 조립된 블록공중합체가 제거되면서 마이크로 기공이 형성됐다.

이 합성 방법은 별도의 주형이 필요하지 않은 간단한 원포트(one-pot) 방법으로, 기존의 복잡한 과정을 혁신적으로 줄여 생산력을 증대시켰다. 이를 이용해 연구팀은 다공성 2차원 알루미노실리케이트 나노코인을 차세대 전지인 리튬-황 이차전지의 분리막에 코팅해 리튬-황 전지의 성능을 높이는 데 성공했다.

이진우 KAIST 생명화학공학과 교수. [KAIST 제공]

기존 리튬이온 이차전지보다 약 2~3배 높은 에너지 밀도를 발현할 수 있을 것으로 기대되는 리튬-황 이차전지의 큰 문제점은 황이 충·방전 과정에서 새 나가는 현상이다. 다공성 2차원 알루미노실리케이트 나노코인은 분리막에 약 2마이크로미터(㎛)로 얇게 코팅돼 용출되는 리튬폴리설파이드를 물리적·화학적으로 억제했다. 나노코인의 다공성 구조는 전해질과 리튬이온은 통과시키는 반면 리튬폴리설파이드는 필터처럼 걸러 물리적으로 막아준다. 또한 알루미노실리케이트는 고체산으로, 염기성질을 가진 리튬폴리설파이드를 흡착해 용출을 억제한다. 이를 통해서 분리막의 두께 대비 용량을 향상시켜 세계 최고 수준의 결과를 얻었다.

이 교수는 “고분자에서 일어나는 현상을 이용한, 새로운 다공성 2차원 무기 소재 합성기술이 기존 기술의 문제점을 해결할 수 있음을 보여줬다”면서 “고분자 분야와 무기 소재 합성을 잇는 연구가 실용적인 에너지장치 성능 향상에 큰 기여를 할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS)’ 9월 1일자 온라인판에 게재됐다.