경북대, 나노물질 '맥신' 기반 리튬이온전지 음극재 개발

경북대 본관 전경/사진제공=경북대학교

꿈의 신소재로 주목받고 있는 나노물질인 '맥신(MXene)'을 이차전지 음극재로 활용한 기술이 개발됐다.

2일 경북대에 따르면 임창용 에너지화학공학과 교수팀은 조창신 포스텍 철강·에너지소재대학원 조창신 교수팀과 공동연구를 통해 차세대 2차원 소재로 주목받고 있는 맥신(MXene)에 플래시라이트 기술을 접목해 6밀리초(ms·1천분의 1초) 이내에 3차원 다공성 맥신/이산화티타튬(MXene/TiO₂) 복합체 필름을 제작하는 기술을 개발했다.

맥신은 티타늄과 탄소 원자 등으로 이뤄진 얇은 판 모양의 2차원 물질이다. 두께가 1나노미터 이하로 매우 얇고 우수한 전기전도도와 기계적 물성으로 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다. 이러한 맥신을 필름으로 제작했을 때는 집전체가 필요없다는 장점이 있다.

하지만 필름 형태로 제작하면 맥신 시트들이 적층되어 있는 구조를 가져 에너지 저장 장치에 적용했을 때 층층이 쌓여있던 맥신이 재적층되어 전해질 침투력이 감소해 잠재적으로 성능이 열화되는 문제가 발생한다.

이에 층간 간격을 넓히고 다공성 구조로 만들려는 연구가 다수 진행되어 왔지만 이전에 보고된 기술들은 다른 화학물질과 섞거나 추가적인 장시간의 열처리가 필요해 환경과 에너지, 대량생산의 측면에서 해결해야 하는 문제점이 있다.

공동연구팀은 맥신 필름을 다공성 구조로 변환하기 위해 플래시라이트 기술을 도입, 6밀리초 이내에 대기 조건에서 다공성 맥신/이산화티타튬 복합체를 제작하는데 성공했다. 플래시라이트 장비의 제논램프(Xenon Lamp)로부터 발생한 백색광(white light)을 맥신 필름에 노출시키면 맥신 필름이 백색광을 흡수하고 맥신 필름의 온도가 올라간다.

이는 마치 뜨거운 태양빛 아래에 검은색 옷을 입고 있으면 검은색 옷이 태양빛을 흡수하고, 이것이 열에너지로 바뀌어 옷의 온도가 올라는 원리와 같은 원리이다. 온도가 올라간 맥신 필름 표면이 산소분자와 반응해 이산화티타늄이 합성된다.

임창용 경북대 에너지화학공학과 교수는 "플래시라이트 기술은 기존의 열처리방식과는 전혀 다른 새로운 컨셉의 방식"이라며 "화학공학 분야에서 아직 연구가 많이 진행되지 않은 기술이라 그 가능성과 활용성이 무궁무진한 연구 주제"라고 했다.

대구=김덕엽 기자 ghost12350@mt.co.kr