리튬·황 전지 성능 강화시킬까···나노신소재 '맥신' 합성

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 차세대 이차전지로 주목받는 리튬·황 전지 성능을 높일 수 있는 배터리 기술을 선보였다.

한국과학기술원(KAIST)은 이재우 생명화학공학과 교수 연구팀이 나노 신소재 맥신(MXene)과 이산화탄소를 반응시켜 산화 티타늄 나노입자가 고르게 분포된 판형 구조의 맥신을 합성했다고 25일 밝혔다.

기존 맥신과 이산화탄소 분위기에서 산화시킨 산화맥신의 표면 이미지.<사진=한국과학기술원>

맥신은 전자파를 흡수하고 차단하는 신개념 초경량 나노 신소재로 전자 부품 간 전자파 간섭을 차단해 전자통신 제품에 활용할 수 있다.

연구팀은 수용액 상태에서 표면을 벗겨 낸 맥신과 이산화탄소와의 반응시켜 산화 티타늄 나노입자가 맥신 표면에 고르게 분포된 판형 맥신을 합성했다.

맥신은 전기전도도가 높고 유연성이 뛰어나 센서·에너지 저장, 전환장치·전자기차 폐수처리 재료 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다. 그래핀이나 탄소나노튜브를 대체할 차세대 물질로도 주목받는다.

이를 리튬·황 전지의 양극 물질로 활용하려면 활물질인 황을 수용할 수 있는 공간을 제공해야 하고 충·방전 과정에서 생성된 리튬 폴리설파이드가 전해질에 녹아 음극 쪽으로 이동해 발생하는 셔틀 현상을 막아야 한다. 셔틀현상이 양극 활물질 손실이나 사이클링 성능 저하를 초래할 수 있기 때문이다.

연구팀은 금속 카바이드 형태로 다공성이 거의 존재하지 않고 또 리튬 폴리설파이드와 상호작용이 적어 리튬·황 전지 소재로 이용하기엔 적합하지 않은 맥신 형태를 변화시켰다. 맥신이 포함된 수용액에 초음파를 주입하고, 맥신을 박리시켜 단일 맥신 층을 다량 제조해 공간을 확보했다. 이어 이산화탄소와 맥신 층을 반응시켜 표면에 리튬 폴리설파이드를 흡착할 다량의 산화 티타늄 나노입자를 합성해 활용 가능토록 했다.

연구를 수행한 이동규 박사과정 학생은 “산화 금속 판형 맥신은 리튬·황 전지의 양극뿐 아니라 분리막에 필름 형태로 성형해 셔틀 현상을 이중으로 방지할 수 있는 막을 제조할 수 있다”며 “균일한 금속산화물 나노입자가 형성된 판형 맥신은 전극이나 다양한 에너지 저장장치 소자에 사용될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 지난달 30일자 온라인판에 게재됐다.