차세대 전지 '리튬-황 이차전지' 성능 높인다..다공성 2차원 나노소재 개발

KAIST, 동전과 같은 형상으로 제어
크기와 두께 등 물성 정밀 조절도 가능

이진우 KAIST 교수

이진우 KAIST 교수 연구팀은 고분자의 분자량에 따라 크기와 두께를 조절하는 방식으로 다공성 2차원 무기질 나노 소재를 개발, 차세대 이차전지로 각광받고 있는 '리튬-황 이차전지'의 성능을 높이는 데 성공했다. KAIST 제공

국내 연구진이 차세대 전지로 각광받고 있는 '리튬-황 이차전지'의 성능을 높일 수 있는 새로운 소재를 개발했다. 이 나노 소재는 동전처럼 둥글고 납작한 형상으로 제어할 수 있고, 크기와 두께 조절도 가능해 리튬-황 이차전지의 분리막에 사용하면 성능 저하 원인을 효과적으로 억제할 수 있다.

KAIST는 이진우 생명화학공학과 교수 연구팀이 김성섭 전북대 교수 연구팀과 함께 서로 다른 크기의 기공(미세 구멍)을 지닌 '다공성 2차원 무기질 나노 소재'를 합성하는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

2차원 나노소재는 수 나노미터의 얇은 두께를 지녀 다른 나노 소재와 다른 독특한 특성을 갖는다. 특히 다공성 2차원 나노소재는 넓은 표면적, 우수한 물질이동 특성, 얇은 구조적 특성 등으로 촉매, 센서, 에너지 소재 등 다양한 분야에 활용하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

하지만, 다공성 2차원 나노 소재를 합성하려면 기판이나 별도의 주형을 사용해야 하기 때문에 소재의 형상과 두께를 조절하는 데 한계가 있다. 여기에 다공성 구조를 형성하기 위해 추가 공정을 도입해야 한다.

이 때문에 합성이 간단하면서 기공 형성과 2차원 나노 소재의 크기, 두께를 정밀하게 조절하는 게 기술적 난제였다.

연구팀은 블록공중합체(두 종류의 고분자가 연결돼 있는 고분자)와 단일공중합체(고분자의 단량체가 한 종류로 이뤄진 고분자)를 섞어 3나노미터의 다공성 2차원 무기질 나노소재를 만드는 데 성공했다. 서로 섞이지 않는 단일중합체와 블록공중합체의 계면 에너지가 달라짐에 따라 나노구조의 배열과 입자 모양이 달라지는 원리를 이용한 것이다. 또한 무기질 나노 소재 내부에 블록공중합체를 제거해 마이크로미터 크기의 기공을 형성했다.

연구팀은 2차원 나노 소재를 차세대 이차전지인 리튬-황 전지의 분리막에 코팅한 결과, 기존 리튬이온전지보다 2∼3배 높은 에너지 밀도를 구현해 성능을 높일 수 있다는 점을 확인했다.

리튬-황 이차전지는 의 가장 큰 문제점인 황이 충방전 과정에서 새어 나가는 것을 분리막에 코팅된 다공성 2차원 나노 소재가 막아주기 때문이다.

리튬-황전지는 양극재로 가격이 저렴하고 풍부한 황을 써 비용을 줄일 수 있지만, 황이 전해액으로 녹아 들면서 전지의 성능과 수명 저하를 초래해 상용화에 어려움이 있었다.

이진우 KAIST 교수는 "다공성 2차원 나노 소재의 플랫폼으로 리튬-황 이차전지뿐 아니라, 다양한 분야에 맞춤형 나노 소재로 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구결과는 화학 분야 국제 학술지 '미국화학회지(JACS, 지난 1일자)' 온라인판에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr