KAIST, 리튬-황 전지 성능 높일 '다공성 2차원 무기질 나노소재' 개발

고분자 블렌드를 이용한 다공성 2차원 무기질 나노코인의 합성에 대한 모식도와 실험 결과./사진제공=KAIST

카이스트(KAIST) 생명화학공학과 이진우 교수팀은 서로 다른 크기의 기공을 동시에 가진 다공성 2차원 무기질 나노코인(동전과 같이 둥근 모양이면서 두께가 약 3나노미터인 2차원 나노 소재)을 합성하는 새로운 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

이 기술은 다공성 무기질 소재를 동전처럼 둥글고 납작한 형상으로 제어할 수 있고, 크기 및 두께 등의 물성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 원천 기술이다. 이는 리튬-황 이차전지의 분리막에 사용돼 리튬-황 전지의 성능 저하 원인으로 꼽히는 리튬폴리설파이드의 용출을 효과적으로 억제해 성능을 높일 수 있어 주목 받고 있다.

이번 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 '미국화학회지'의 9월 1일 자 온라인판에 게재됐다.

연구진에 따르면 기존의 다공성 2차원 무기질 소재의 합성 방법은 기판을 이용하거나 별도의 주형을 사용하는 방식으로 소재의 형상 원판처럼 제어하고 두께를 조절하는 것에 한계가 있다.

이 교수 연구팀은 블록공중합체와 단일중합체의 고분자 블렌드의 상거동을 이용해 기존의 문제를 해결하는 새로운 합성 방식을 제시하고 이를 통해 다공성 2차원 무기질 나노코인을 3나노미터(㎚) 두께로 합성하는 데 성공했다. 서로 섞이지 않는 단일중합체와 블록공중합체의 계면에너지가 달라지는 것에 따라 나노구조의 배향과 입자의 모양이 변화되는 원리를 이용했다. 또 나노구조의 형성을 위해 무기질 소재 내부에 함께 자기조립 된 블록공중합체가 제거되면서 마이크로 기공이 형성됐다.

이 합성 방법은 별도의 주형이 필요하지 않은 간단한 원팟(one-pot) 방법으로 기존의 복잡한 과정을 혁신적으로 줄여 생산력을 높였다.

이를 이용해 연구팀은 다공성 2차원 알루미노실리케이트 나노코인을 차세대 전지인 리튬-황 이차전지의 분리막에 코팅해 리튬-황 전지의 성능을 세계 최고 수준으로 높이는 데도 성공했다.

이진우 교수는 "이 합성기술은 블록공중합체의 분자량 및 고분자 대비 질량을 조절해 손쉽게 나노구조(넓이 및 두께)를 조절할 수 있고 다른 소재로의 확장도 가능해 맞춤형 나노소재로도 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

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대전=허재구 기자 hery124@hanmail.net

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