울산과기원, 리튬금속배터리 안정성 개선…상용화 발판

이상영·곽상규 교수팀, 탄소나노튜브의 리튬 저장 원리 규명

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 차세대 배터리로 꼽히는 '리튬 금속 배터리'의 내구성과 안정성 문제를 해결했다.

이상영·곽상규 에너지 및 화학공학부 교수팀은 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명, 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 방법을 제안했다고 27일 밝혔다.

탄소나노튜브는 지름이 수 ㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1ｍ)인 속이 빈 원기둥(튜브) 모양 탄소 소재로, 상호작용에 따라 다발 구조를 이룬다.

리튬 이온을 저장할 수 있어 배터리 소재로 활용될 수 있지만, 저장 효율이 낮아 쓰임은 제한적이었다.

낮은 저장 효율은 기존에 '탄소나노튜브 표면 부반응에 의해 리튬 이온이 소모된다'는 가설로 설명됐다.

그러나 가설은 튜브 표면적이 작아져도 부반응에 참여하는 리튬 이온 숫자가 그대로인 현상을 설명하지 못했다.

연구진은 탄소나노튜브 표면이 아닌 '각 다발이 이루는 내부 구조'에 주목했다.

튜브 다발의 밀도를 정밀하게 제어하면서 그 구조에 따른 현상을 관찰한 결과, 튜브 다발 사이에 이온이 갇히는 현상을 확인했다.

그동안 탄소나노튜브의 낮은 저장 효율이 표면 부반응에 의해 리튬 이온이 소모됐기 때문이 아니라, 이온이 다발 내부 구조에 갇혀 반응에 참여하지 못해서라는 점을 밝힌 것이다.

연구진은 이 현상을 거꾸로 이용해 리튬 금속 배터리 안정성을 높이는 방법을 제시했다.

리튬 이온을 탄소나노튜브에 가뒀다가 리튬 금속으로 추출해 사용하는 방식이다.

이렇게 하면 리튬 금속 산화 반응성이 줄고, 리튬을 안정적으로 보관할 수 있다고 본 것이다.

실제로 탄소나노튜브에 갇힌 리튬의 산화 안정성을 실험한 결과, 물속에서도 격렬한 산화 반응이 일어나지 않았다.

리튬 금속은 물이 닿으면 금방 반응해 폭발할 수 있는데, 이 문제를 해결하고 안정성을 높인 것이다.

기존 리튬 저장 물질보다 5배 이상 용량이 커진다는 점도 확인했다.

이상영 교수는 "탄소나노튜브의 나노 다발 구조에 리튬을 저장할 수 있다는 것을 처음 규명한 연구"라면서 "안전한 리튬 금속을 연구하는 새로운 방향을 제시해 차세대 리튬 금속 배터리 상용화에 꼭 필요한 '고안전성 리튬 저장 기술' 개발의 발판을 마련했다"고 밝혔다.

이번 연구는 나노분야 국제학술지 '나노 레터스'(Nano Letters) 온라인판에 게재됐으며, 표지 논문으로도 선정돼 출판을 앞두고 있다.

/연합뉴스