산화맥신 전극 개발.. 리튬-황 전지 상용화 한걸음

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 이산화탄소와의 반응을 통해 산화 티타늄 나노 입자가 고르게 퍼진 판 구조를 가진 맥신을 합성하는데 성공했다. 이 산화맥신은 산화안정성이 우수하고 황을 수용할 수 있어, 향후 리튬이온 전지를 대신할 차세대 리튬-황 전지의 전극과 분리막에 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

이재우 한국과학기술원 생명화학공학과 교수의 연구팀은 나노 신소재인 맥신과 이산화탄소와의 반응을 통해산화맥신을 합성해 관련 논문이 국제 학술지인 ASC나노에 실렸다고 25일 밝혔다.

리튬-황 전지 양극재 소재 개발

맥신은 그래핀이나 탄소나노튜브를 대체할 차세대 물질로 주목받고 있지만, 리튬-황 전지 소재로 사용하기에 적합한 소재가 아니다. 맥신은 탄소와 티타늄 원소로 이뤄진 화합물인 금속 카바이드 형태로 구성돼 있고 내부에 빈틈이 없어, 황을 수용할 수 없다.

하지만 연구팀은 맥신을 산화시키는 방식을 통해 리튬-황 전지 소재로 활용할 수 있도록 했다. 먼저 맥신이 포함된 수용액에 초음파를 주입하고, 맥신을 박리시켜 각 단일 맥신 층을 다량으로 제조했다. 이어 맥신 층 사이에 충분한 공간을 확보하고 동시에 이산화탄소와 맥신 층을 반응시켜 표면에 다량의 산화 티타늄 나노입자(타이타늄옥사이드)를 고르게 합성시켰다.

이 소재는 활물질인 황을 수용할 수 있는 충분한 공간이 확보하고 있으며 충·방전 과정에서 발생하는 셔틀현상을 막을 수 있다. 셔틀현상은 충·방전시에 생성된 리튬 폴리설파이드가 전해질에 녹아 음극 쪽으로 이동해 일어나는 전지의 성능저하 현상 중 하나다.

연구팀은 이렇게 개발한 소재를 리튬-황 전지의 양극재와 분리막에 활용했고 충방전시 우수한 성능을 나타냈다고 밝혔다. 또 이 소재를 리튬-황전지에 적용 시 활물질 손실의 최소화, 사이클링 성능 향상, 높은 가역용량, 황의 부피팽창 완충 역할 등의 결과를 보인다는 것을 확인했다.

저렴하게 리튬-황 전지 소재 생산 가능

이재우 한국과학기술원 생명화학공학과 교수

연구팀 관계자는 "산화 금속 판형 맥신 제조공정은 수용액 처리, 이산화탄소와의 반응으로 이뤄진 단순화된 공정"이라며 "온도, 반응시간 조절로 다양한 판형 소자 제조도 가능해 비용 절감이 가능하다"라고 밝혔다.

제1 저자인 이동규 박사과정 학생도 "이산화탄소와의 반응을 통해 제조된 산화 금속 판형 맥신은 리튬-황 전지의 양극뿐 아니라 분리막에 필름 형태로 성형해 셔틀 현상을 이중으로 방지할 수 있는 막을 제조할 수 있다"라며 "균일한 금속산화물 나노입자가 형성된 판형 맥신은 전극 및 다양한 에너지 저장장치 소자에 사용될수 있을 것"이라고 설명했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr